DE69414237T2

DE69414237T2 - Leiterplattenanordnung mit abschirmungsgittern und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69414237T2
Application number: DE69414237T
Authority: DE
Inventors: Edward D. Lake Forest Ca 92630 Suski
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1993-02-02
Filing date: 1994-02-01
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2014-02-02
Also published as: KR960700626A; WO1994018812A1; CA2154156A1; CN1119903A; ATE172837T1; JPH08506696A; CA2154156C; KR100301363B1; EP0682852B1; AU6232994A; EP0682852A1; US5682124A; DE69414237D1; CN1044306C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen flexible Kabel und Übertragungsleitungen von gedruckten Schaltungsplatten und insbesondere eine Einrichtung und ein Verfahren zur Verbesserung des Impedanzbereiches für flexible Kabel und Übertragungsleitungen von gedruckten Schaltungsplatten.

Beschreibung des Standes der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung der Impedanz von Datenübertragungsleitungen in flachen, flexiblen Kabeln und in gedruckten Leiterplatten, die eine Vielzahl von Leitungen in der Nähe einer Erdbezugsebene aufweisen.
Mikrostreifen und Streifenleitungen werden in großem Maße verwendet, um logische Hochgeschwindigkeitsschaltkreise in digitalen Computern miteinander zu verbinden, weil sie durch automatisierte Techniken hergestellt werden können und die gewünschten impedanzgesteuerten Signalwege liefern können. Mikrostreifenkonstruktionen ermöglichen jedoch beträchtliche Pegel von elektromagnetischer Nebenstrahlung. Streifenleitungskonstruktionen können verwendet werden, um unerwünschte elektromagnetische Strahlung in großem Maße zu reduzieren. Die Hinzufügung einer zweiten Bezugs- oder Erdschicht führt jedoch zu einer vergrößerten kapazitiven Kopplung zwischen der Signalleitung und den Bezugsebenen. Auf diese Weise wird die Impedanz der Signalleitung beträchtlich reduziert. Um die gewünschte Impedanz aufrecht zu erhalten, muß bei herkömmlichen Streifenleitungskonstruktionen der Abstand zwischen den Bezugsschichten und der Signalleitung größer sein als bei Mikrostreifenkonstruktionen. Diese vergrößerte Dicke reduziert die Möglichkeit des Kabels beträchtlich mehreren Biegungen zu widerstehen oder vergrößert beim Gebrauch in einer gedruckten Schaltungsplatte die Gesamtdicke der gedruckten Schaltungsplatte.
Typische Leitungen werden in Ebenen in einem flexiblen Kabel oder einer gedruckten Schaltungsplatte gebildet. Erdebenen oder Bezugsspannungsebenen sind in Ebenen angeordnet, die parallel zu den Leitungsebenen verlaufen, um die Impedanz der Leitungen zu steuern und die Übertragung elektromagnetischer Strahlung von Leitungen, die Hochfrequenzsignale führen, wie beispielsweise Taktsignale und Hochgeschwindigkeitsdatensignale, die in digitalen Computern anzutreffen sind, zu blockieren. Bei gedruckten Schaltungsplatten und dergleichen werden im allgemeinen feste Erdebenen verwendet. Feste Erdebenen sind jedoch unflexibel, sofern sie nicht sehr dünn gemacht werden, und können daher nicht einfach zum Schutz von Signalleitungen in Kabeln verwendet werden, die häufig gebogen werden sollen, beispielsweise in den Signalleitungen zwischen der Basis und dem bewegbaren Anzeigeschirm eines Notebook- Computers. Außerdem kann wegen der großen Kapazitanz einer festen Erdebene nahe an der Signalleitung, die Impedanz der Signalleitungen kleiner sein als gewünscht. Andererseits wird, wenn die Erdebene weiter von den Leitern beabstandet ist, um die Kapazitanz zu reduzieren und dadurch die Impedanz zu vergrößern, ein flexibles Kabel dicker und daher weniger flexibel, sodass es bei wiederholten Biegungen leichter brechen kann. In einer ähnlichen Weise wird eine gedruckte Schaltungsplatte dicker und daher auch schwerer und kostspieliger im Hinblick auf ihre Herstellbarkeit.
Es wurden Bezugsebenen mit leitenden Elementen, die in einem Gitter ausgebildet sind, bei Mikrostreifendesigns verwendet, um die Impedanz zu vergrößern und eine größere Flexibilität zu schaffen. Weil jedoch das Gitter nicht ununterbrochen ist, wie eine feste Bezugsebene, wurde herausgefunden, daß es wegen der unkontrollierten Orientierung der Signalleitungen in Bezug auf das Abschirmungsgitter ganz schwierig ist, die Impedanz der Signalleitungen zu steuern, die durch eine gitterförmige Bezugsebene geschützt werden. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein flexibles Kabel und eine Leitungsplatte zu schaffen, die eine effektive Abschirmung bewirken und eine steuerbare charakteristische Impedanz besitzen.
Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Steuerung der Impedanzcharakteristiken von flexiblen Kabeln und Leitungsplatten, die kreuzweise schraffierte Bezugsebenen besitzen, insbesondere von Kabeln von Streifenleitungskonstruktionen, betraf die Struktur von Drehungen in den Kabeln. Im allgemeinen erfolgt, wenn die Orientierung einer Signalleitung geändert werden muß, beispielsweise um 90º oder dergleichen, die Drehung nicht in der Signalleitung mit einer einzigen 90º- Drehung. Stattdessen wird die Änderung der Orientierung im allgemeinen durch eine genaue Drehung, d. h. eine Kurve, bewerkstelligt wird, sodass sich die Orientierung der Signalleitung ununterbrochen von ihrer Ursprungsorientierung zu der neuen Orientierung ändert. Wahrscheinlich ist es, daß die Signalleitung an verschiedenen Punkten in der Drehung zu den Leitungen des oberen oder unteren Gitters oder zu beiden Gittern ausgerichtet wird. Diese Ausrichtung bewirkt eine beträchtliche Reduzierung der Impedanz an diesen Punkten und bewirkt daher eine beträchtliche Unstetigkeit der Impedanz. Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Einrichtung zur Neuorientierung von Signalleitungen zu schaffen, die Unstetigkeiten der Impedanz minimiert.
Herkömmlicherweise wurde die Impedanz von Mikrostreifen und Streifenleitungskonstruktionen durch die Breite der Signalleitung, den Abstand der Leitung von der Bezugsebene bzw. den Bezugsebenen, das Dialektrikum bzw. die Dielektrika, das bzw. die die Leitung umgeben, und in einem kleineren Grad die Dicke der Leitung bestimmt.
Diese herkömmlichen Verfahren zur Bestimmung der Impedanzen in Streifenleitern und Mikrostreifen legen dem Designer zu viele Beschränkungen auf. Beispielsweise werden in bestimmten Anwendungsfällen, wie z. B. der Verbindung von peripheren Komponenten in den neuesten Desktop- und Serversystemen, sehr hohe Impedanzen auf gedruckten Leitungsplatten gefordert. Ein Weg zur Erhaltung solcher hohen Impedanzen unter Anwendung einer bestehenden Technologie besteht darin, die Trennung zwischen der Signalleitung und der Bezugsebene zu vergrößern. Dies würde jedoch die Verwendung von teuren gedruckten Leiterplatten mit Dicken, die nicht dem Standard entsprechen, erfordern. Solche gedruckten Leiterplatten, die nicht dem Standard entsprechen, sind nicht nur teuer auszuführen, sondern auch wegen ihrer Sperrigkeit bei vielen Anwendungsfällen nicht wünschenswert. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Leiterplatte zu schaffen, die ohne Vergrößerung der Dicke der Leiterplatte eine hohe Impedanz liefert.
Alternativ kann der Designer von Mikrostreifen zur Vergrößerung der Impedanz der Signalleitung den Abstand der Leitung von der Bezugsebene vergrößern oder die Breite der Leitung verkleinern. Es bestehen jedoch zwei Beschränkungen, die den Designer bei der Ausführung des letzten Verfahrens eingrenzen. Erstens wird die minimale Breite der Signalleitungen durch die gegenwärtige Technologie auf etwa 0,102 mm (4 mils) begrenzt. Zweitens steigen die Herstellungskosten einer Leiterplatte beträchtlich, wenn die Leitungsbreiten unter 0,152 mm (6 mils) fallen.
Trotz dieser Beschränkungen wird es, wenn 'gewöhnliche' Plattenimpedanzen von 50 bis 65 Ω auch auf derselben Ebene wie die Hochimpedanzschichten gefordert werden, nötig, die Leitungsbreiten der Leitungen einzustellen. Außerdem müssen die Breiten von Leitungen einer 'gewöhnlichen' Impedanz, die von anderen Leitern auf die Hochimpedanzschicht geführt werden, von Schicht zu Schicht eingestellt werden, um die angepaßte Impedanz entlang ihrer gesamten Länge aufrecht zu erhalten. Diese Anpassung führt als Ergebnis der vergrößerten Leitungsbreite zu einer ernsthaften Reduktion der Signaldichte an den Hochimpedanzschichten. Bei der Anpassung von Hochimpedanzschichten von 90 Ω an gewöhnliche Plattenimpedanzen von 50 bis 65 Ω würde beispielsweise die Signaldichte an den Hochimpedanzschichten um einen Faktor von etwa 2,7 abnehmen.
Die herkömmliche Lösung für dieses Problem bestand darin, die Signalschichten zu vergrößern. Die Vergrößerung der Anzahl von Schichten von 6 auf 8 auf beispielsweise einer vorbestehenden Grundplatte würde jedoch die Kosten der gedruckten Leiterplatte um etwa 20 Dollar pro Platte vergrößern. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Leiterplatte mit Bereichen einer vergrößerten Impedanz zu schaffen, ohne den Abstand der Leitung von der Bezugsebene zu vergrößern oder von der Verwendung teurer Leitungen und/oder Leitungen, die zu eng sind, als daß sie mit einer gegenwärtigen Technologie hergestellt werden könnten, Gebrauch zu machen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine solche Leiterplatte zu schaffen, wobei eine Verkleinerung der Signaldichte verhindert wird und das Erfordernis des Hinzufügens zusätzlicher Schichten zur Schaltungsplatte eliminiert wird.
Ein weiterer Nachteil, der mit herkömmlichen Mikrostreifenkonstruktionen verbunden ist, besteht in der Erzeugung eines Nebensprechens in der Vorwärts- und in der Rückwärtsrichtung, das die Signalqualität ernsthaft beeinträchtigen kann. Nebensprechen ist die Wirkung der Kopplung des Signales eines Kanals in einen anderen. Nebensprechen kann eine Anzahl von Ursachen haben, wobei eine Ursache in dem Ungleichgewicht der Kabelparameter, insbesondere der Kapazitanz und der Induktanz zwischen den Leitungen zu sehen ist. Wegen dieses Ungleichgewichtes kann sich eine Nettokopplung des Signals von einer Leitung in eine andere ergeben. Ein solches Ungleichgewicht wird im allgemeinen schwerwiegender, wenn eine Leitung einem nicht homogenen Medium ausgesetzt wird, wie dies beispielsweise bei herkömmlichen Mikrostreifenkonstruktionen der Fall ist. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Leiterplatte zu schaffen, die ein verringertes Nebensprechen bei einer vergrößerten Impedanz aufweist.
Zusätzlich zu den oben genannten Beschränkungen strahlen Oberflächenleitungen in einer herkömmlichen Mikrostreifenkonstruktion hohe Pegel elektromagnetischer Strahlung ab, die störend auf die Funktion umgebender Elektronikeinrichtungen einwirken. Umgekehrt kann eine Fremdstrahlung ebenfalls den Betrieb der Oberflächenleitungen beeinträchtigen. Bei herkömmlichen Mikrostreifenkonstruktionen war es nicht möglich, eine angemessene Abschirmung zu schaffen, weil die Oberfläche der Leitung frei war, um in den Hohlraum des die Leiterplatte umgebenden Systems zu strahlen. Die Einschließung dieser Strahlung erforderte, daß die Leitung unter Anwendung einer Streifenleitungskonstruktion konstruiert wurde. Leitungen mit einer hohen Impedanz einer Streifenkonstruktion erfordern jedoch, daß der Abstand zwischen den Bezugsebenen und den Leitungen drastisch vergrößert wird, um die gewünschte hohe Impedanz zu erreichen. Solch eine Zunahme der Dicke wäre jedoch bei Anwendungen unerwünscht, bei denen dünne Leiterplatten oder Leiterplatten mit einer Standarddicke gefordert werden. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Leiterplatte zu schaffen, die eine wirksame Abschirmung bei einer vergrößerten Impedanz liefert.
Beim Stand der Technik besteht daher ein Bedürfnis, ein flexibles Kabel mit flexiblen Bezugsebenen zu schaffen, das Tausende von Biegungen in einem Streifenleiterdesign ausführen kann und eine gewünschte Impedanz aufweist, die die Übertragung von Signalen ohne Verschlechterung der Signalqualität ermöglicht, wobei eine annehmbare Abschirmfähigkeit erreicht wird.
Es besteht beim Stand der Technik auch ein Bedürfnis, eine Leiterplatte mit einer vergrößerten Impedanz zu schaffen, ohne die Dicke der Leiterplatte, die Leitungsbreite, die Dicke der Leitung zu vergrößern oder entweder ein nicht homogenes dielektrisches Material oder ein dielektrisches Material, das nicht dem Standard entspricht, zu verwenden und die gewünschte vergrößerte Impedanz zu erreichen, die die Übertragung von Signalen ohne Verschlechterung der Signalqualität oder ohne einen Signaldichteverlust ermöglicht, wobei eine akzeptable Abschirmfähigkeit geschaffen wird.
In der verwandten U. S. PS 3,700,825 wird eine Kabelkonstruktion zur Zwischenverbindung von Schaltkreisen erörtert. Diese Kabelkonstruktion enthält ein Kabel, das eine Gruppe von seitlich voneinander beabstandeten Leitungen aufweist, die in isolierendem Material eingebettet sind. Das Kabel weist eine bandähnliche Form auf, wobei eine Oberfläche im wesentlichen parallel zu den Leitungen verläuft. Eine elektrisch leitende Abschirmung ist neben der Oberfläche angeordnet und eine Gitterstruktur ist zwischen der Abschirmung und der Oberfläche angeordnet, um die Abschirmung in einem vorbestimmten Abstand von den Leitungen zu halten. Gemäß einem anderen verwandten Stand der Technik beschreibt die U. S. PS 4,644,092 ein abgeschirmtes flexibles Kabel mit Mehrfachleitungen zum Schutz gegen EMI und/oder RFI. Das abgeschirmte Kabel besitzt eine Mehrzahl von Leitungen, die zwischen zwei Ebenen eines isolierenden Substrates angeordnet sind. Das Kabel weist eine graphische Abschirmung auf, die an der äußeren Oberfläche wenigstens einer der isolierenden Substratschichten angeordnet ist. Die graphische Abschirmung besteht aus einer verfestigten leitenden Tinte.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Leiterplatte mit einem ersten Abschirmungsgitter, mit einem ersten, in einer ersten Ebene liegenden Muster. Ein zweites Abschir mungsgitter mit einem zweiten Muster liegt in einer zweiten Ebene. Das zweite Muster ist gegenüber dem ersten Muster versetzt. Eine erste Signalleitung ist in einer dritten Ebene zwischen dem ersten und dem zweiten Abschirmungsgitter angeordnet, sodass die erste Signalleitung an einer gewählten Position in der dritten Ebene im Hinblick auf das erste und zweite Muster des ersten und zweiten Gitters angeordnet ist. Ein erster Isolator ist zwischen dem ersten Gitter und der ersten Signalleitung angeordnet. Ein zweiter Isolator ist zwischen dem zweiten Gitter und der ersten Signalleitung angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist sowohl das erste als auch das zweite Muster leitende Elemente auf, die in einem geometrischen Muster miteinander verbunden sind. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist das geometrische Muster eine Öffnung zwischen den leitenden Elementen auf. Die größte Abmessung der Öffnung ist kleiner als die Hälfte einer Wellenlänge einer höchsten Frequenz eines Signales, das über die erste Signalleitung geleitet wird. Bei einer Ausführungsform ist die größte Dimension der Öffnung kleiner als ein Zwanzigstel der Wellenlänge der höchsten Frequenz eines Signals, das über die erste Signalleitung geleitet wird.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform besitzt die Leitungsplatte ferner eine zweite Signalleitung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die zweite Signalleitung im wesentlichen parallel zu der ersten Signalleitung. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Signalleitung um ein ganzes Vielfaches der halben Distanz der größten Abmessung der Öffnung des Gitters versetzt angeordnet. Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist der Versatz ein Faktor der halben Distanz der größten Dimension der Öffnung des Gitters.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Öffnung eine rechteckige Gestalt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Signalleitungen so orientiert, daß sie in der Nähe der Scheiteln der Rechtecke verlaufen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestimmen das erste und zweite Muster Scheitel des ersten und zweiten Gitters. Der ausgewählte Ort der Signalleitung wird durch die Scheitel des Gitters bestimmt. Bei einer noch weiteren Ausführungsform umfassen das erste und zweite Gitter und die Signalleitung ein flexibles Kabel.
Bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erste Abschirmungsgitter eine erste Mehrzahl von leitenden Elementen auf, die in einer ersten Richtung orientiert sind. Eine zweite Mehrzahl von leitenden Elementen sind in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung orientiert. Die erste Mehrzahl der leitenden Elemente und die zweite Mehrzahl von leitenden Elementen bilden eine Mehrzahl von Rechtecken. Die Rechtecke haben Scheitel, die den Überschneidungen der ersten und zweiten Mehrzahl von leitenden Elementen entsprechen. Es besteht eine diagonale Distanz zwischen den Scheiteln entlang der diagonalen Richtungen unter 45 Grad zu der ersten und zweiten Richtung. Das zweite Abschirmungsgitter ist in seiner Struktur identisch mit dem ersten Abschirmungsgitter. Das zweite Abschirmungsgitter ist im wesentlichen parallel zum ersten Abschirmungsgitter angeordnet. Die Überschneidungen der leitenden Elemente des ersten Abschirmungsgitters sind von den Überschneidungen des zweiten Abschirmungsgitters in den diagonalen Richtungen durch eine Distanz beabstandet, die im wesentlichen gleich einer Hälfte der diagonalen Distanz ist. Die Leiterplatte weist eine Mehrzahl von Signalleitungen auf, die zwischen den Abschirmungsgittern angeordnet und in einer Richtung im wesentlichen parallel zu einer der diagonalen Richtungen orientiert sind.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte. Das Verfahren umfaßt den Schritt der Positionierung eines ersten Abschirmungsgitters mit einer ersten Musterkonfiguration in einer ersten Ebene. Ein zweites Abschirmungsgitter mit einer zweiten Musterkonfiguration wird in einer zweiten Ebene parallel zur ersten Ebene positioniert. Das Verfahren umfaßt ferner den Schritt des Versetzens des zweiten Abschirmungsgitters gegenüber dem ersten Abschirmungsgitter in einer Richtung in der zweiten Ebene. Eine Signalleitung wird zwischen dem ersten und zweiten Abschirmungsgitter in einer dritten Ebene an einem ausgewähltem Ort in Bezug auf das erste und zweite Gitter angeordnet. Ein erster Isolator wird zwischen dem ersten Gitter und der ersten Signalleitung angeordnet. Ein zweiter Isolator wird zwischen dem zweiten Gitter und der ersten Signalleitung angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die erste Ebene an einer Seite der Signalleitung. Die erste Musterkonfiguration weist eine Mehrzahl von Überschneidungen von leitenden Elementen auf. Die zweite Ebene befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite der Signalleitung und verläuft parallel zur ersten Ebene. Das zweite Abschirmungsgitter weist eine Mehrzahl von Überschneidungen von leitenden Elementen auf. Das zweite Gitter ist in Bezug auf das erste Gitter so ausgerichtet, daß die Überschneidungen von leitenden Elementen des zweiten Gitters von den Überschneidungen der leitenden Elemente des ersten Gitters einen gewählten Versatz aufweisen. Die Signalleitung ist parallel zu den Linien orientiert, die die Überschneidungen der leitenden Elemente des ersten und zweiten Gitters verbinden.
Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Leitungsplatte mit einem Abschirmungsgitter in einer ersten Ebene. Das Abschirmungsgitter weist eine Konfiguration auf, die untereinander in einem geometrischen Muster verbundene leitende Elemente besitzt, wobei das Muster eine Vielzahl von Öffnungen in regelmäßigen Abständen bildet. Eine erste Signalleitung ist in einer zweiten Ebene im wesentlichen parallel zu ersten Ebene angeordnet. Eine zweite Signalleitung ist in der zweiten Ebene angeordnet. Die zweite Signalleitung ist von der ersten Signalleitung durch einen Versatz beabstandet. Dieser Versatz ist im wesentlichen gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Distanz der größten Dimension der Öffnungen. Auf diese Weise besitzen die erste Signalleitung und die zweite Signalleitung im wesentlichen dieselbe Impedanz. Ein erster Isolator ist zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegen die erste Signalleitung und die zweite Signalleitung über Scheiteln des Gitters. Die Scheitel sind zwischen den Öffnungen angeordnet. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das geometrische Muster ein Rechteck.
Bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Gitter eine erste Mehrzahl von leitenden Elementen, die in einer ersten Richtung orientiert sind. Eine zweite Mehrzahl von leitenden Elementen sind in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung orientiert. Die erste Mehrzahl von leitenden Elementen und die zweite Mehrzahl. von leitenden Elementen bilden eine Mehrzahl von Rechtecken. Die Rechtecke besitzen Scheitel entsprechend den Überschneidungen der ersten und zweiten Mehrzahl von leitenden Elementen. Die Scheitel besitzen zwischen sich eine diagonale Distanz entlang diagonaler Richtungen von 45 Grad zur ersten und zweiten Richtung. Eine erste Mehrzahl von Signalleitungen ist gegenüber dem Gitter angeordnet und in einer Richtung orientiert, die im wesentlichen parallel zu einer der diagonalen Richtungen verläuft. Eine zweite Mehrzahl von Signalleitungen ist in der Nähe des Gitters angeordnet und in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur ersten Mehrzahl von Signalleitungen ausgerichtet.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die erste Mehrzahl von Signalleitungen so orientiert, daß sie in der Nähe der Scheitel der Rechtecke verlaufen.
Bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die größte Dimension der Öffnung kleiner als die Hälfte einer Wellenlänge einer höchsten Frequenz eines Signales, das durch die erste Signalleitung geleitet wird. Bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die größte Dimension der Öffnung kleiner als ein Zwanzigstel der Wellenlänge der höchsten Frequenz eines Signales, das von der ersten Signalleitung geleitet wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Öffnung durch vier Scheitel begrenzt und die größte Dimension liegt zwischen zwei dieser Scheitel, die einander gegenüberliegen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Leiterplatte eine dritte Signalleitung in der Nähe des Gitters in einer Richtung auf, die der ersten Signalleitung gegenüber liegt. Die dritte Signalleitung ist an einem Ort angeordnet, der in Bezug auf die erste Signalleitung ausgewählt ist. Bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform verläuft die dritte Signalleitung im wesentlichen senkrecht zur ersten Signalleitung.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Leiterplatte eine vierte Signalleitung, die im wesentlichen parallel zur dritten Signalleitung verläuft. Die vierte Signalleitung ist gegenüber der dritten Signalleitung um ein ganzzahliges Vielfaches der halben Distanz der größten Dimension der Öffnung des Gitters versetzt angeordnet.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erhöhung, der Impedanz auf einer Leiterplatte mit elektrischen Signalleitungen, das den Schritt der Positionierung eines einzigen Abschirmungsgitters parallel zu den Signalleitungen umfaßt. Das Abschirmungsgit ter weist ein Muster aus leitenden Elementen auf, die in einem geometrischen Muster miteinander verbunden sind, das eine Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten Öffnungen parallel zu den Signalleitungen bildet. Ein Isolator ist zwischen dem Gitter und den Signalleitungen angeordnet. Die Signalleitungen sind entlang von Linien parallel zu Linien orientiert, die die Überschneidungen von leitenden Elementen des Gitters verbinden. Jede der Signalleitungen ist von einer benachbarten Signalleitung durch einen Versatz beabstandet. Der Versatz ist im wesentlichen gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer Hälfte der Distanz der größten Dimension der Öffnungen. Auf diese Weise weist jede der Signalleitungen im wesentlichen dieselbe kapazitive Kopplung zum Gitter auf.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf ein abgeschirmtes flexibles Kabel gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Bereiches 2-2 in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine Seitendarstellung des Querschnittes der vorliegenden Erfindung entlang der Linie 3-3 der Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Aufsicht eines Bereiches 4-4 in Fig. 1, der das Verfahren zur Herstellung einer 90-Grad-Drehung in einer Signalleitung zeigt.
Fig. 5 zeigt eine Aufsicht einer bevorzugten Ausführungsform der Übertragungsleitungen der Leiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Aufsicht eines Bereiches 6-6 der Fig. 5.
Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht des Querschnittes der vergrößerten Aufsicht der vorliegenden Erfindung entlang der Linie 7-7 in Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht des Querschnittes einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leiterplatte.
Fig. 9 zeigt eine vergrößerte Aufsicht eines Bereiches 9-9 der Übertragungsleitungen der Leiterplatte der Fig. 5, die ein bevorzugtes Verfahren zur Ausführung einer 90-Grad-Drehung in einer Signalleitung zeigt.
Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht eines Querschnittes einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leiterplatte entlang der Linien 10-10 der Fig. 9.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Fig. 1 zeigt eine ebene Darstellung eines abgeschirmten flexiblen Kabels 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Kabel 10 kann verwendet werden, um die Basis und den bewegbaren Anzeigeschirm eines Notebook-Computers elektrisch zu verbinden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind eine erste Mehrzahl von Signalleitungen so orientiert, daß sie in der Nähe der Scheitel der Rechtecke verlaufen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die größte Dimension der Öffnung kleiner als die Hälfte einer Wellenlänge einer höchsten Frequenz eines Signals, das durch die erste Signalleitung geleitet wird. Bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die größte Dimension der Öffnung kleiner als ein Zwanzigstel der Wellenlänge der höchsten Frequenz eines Signals, das durch die erste Signalleitung geleitet wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Öffnung durch vier Scheitel begrenzt und liegt die größte Abmes sung zwischen zwei der Scheitel, die einander gegenüberliegen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Leiterplatte ferner eine dritte Signalleitung in der Nähe des Gitters in einer Richtung auf, die der ersten Signalleitung gegenüberliegt. Die dritte Signalleitung ist an einem Ort angeordnet, der in Bezug auf die erste Signalleitung ausgewählt ist. Bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die dritte Signalleitung im wesentlichen senkrecht zur ersten Signalleitung ausgerichtet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Leiterplatte ferner eine vierte Signalleitung, die im wesentlichen parallel zur dritten Signalleitung verläuft. Die vierte Signalleitung ist gegenüber der dritten Signalleitung um einen Versatz eines ganzzahligen Vielfachen der halben Distanz der größten Dimension der Öffnung des Gitters angeordnet.
Eine noch weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergrößerung der Impedanz auf einer Leiterplatte mit elektrischen Signalleitungen, das den Schritt der Positionierung eines einzigen Abschirmungsgitters parallel zu den Signalleitungen umfaßt. Das Abschirmungsgitter weist ein Muster auf, das leitende Elemente enthält, die in einem geometrischen Muster miteinander verbunden sind, der eine Mehrzahl von regelmäßig beabstandeten Öffnungen parallel zu den Signalleitungen bildet. Ein Isolator ist zwischen dem Gitter und den Signalleitungen angeordnet. Die Signalleitungen sind entlang von Linien orientiert, die parallel zu Linien verlaufen, die die Überschneidungen der leitenden Elemente des Gitters verbinden. Jede der Signalleitungen ist von einer benachbarten Signalleitung durch einen Versatz beabstandet. Der Versatz ist im wesentlichen gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Distanz der größten Abmessung der Öffnungen. Auf diese Weise weist jede der Signalleitungen im wesentlichen dieselbe Impedanz auf.
Wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist, weist die Leitungsplatte 10 der vorliegenden Erfindung ein oberes Abschirmungsgitter 20, das einen Satz von elektrisch leitenden Elementen besitzt, ein unteres Abschirmungsgitter 40, das einen ähnlichen Satz von elektrisch leitenden Elementen besitzt, und eine Mehrzahl von Signalleitungen 60, 62, 64 auf, die alle an vorbestimmten Orten in Bezug aufeinander ausgerichtet sind, wie dies unten beschrieben werden wird.
Wie dies die Fig. 2 zeigt, besitzt jedes der Abschirmungsgitter 20, 40 ein gleichmäßiges Muster, das bei der bevorzugten Ausführungsfarm so ausgewählt ist, daß es ein sich wiederholendes Muster von Rechtecken ist, die durch die elektrisch leitenden Elemente 22, 24 bzw. 42, 44 gebildet sind, die die Gitter 20 bzw. 40 bilden. Wie dies dargestellt ist, verlaufen bei der bevorzugten Ausführungsform die Elemente 22 des oberen Gitters 20 senkrecht zu den Elementen 24 und die Elemente 42 des unteren Gitters 40 senkrecht zu den Elementen 44. Vorzugsweise werden die Gitter 20 und 40 durch Ätztechniken zur Herstellung der Leiterplatte durch Entfernen von Kupfer oder von einem anderen leitenden Material von dem Rohling der Leiterplatte hergestellt, sodass das nach dem Ätzen verbleibende Material die leitenden Elemente 22, 24, 42, 44 bildet.
Insbesondere sind aus den weiter unten erläuterten Gründen, die Rechtecke um 45 Grad in Bezug auf die Hauptorientierung der Signalleitungen 60, 62, 64 ausgerichtet, sodass die elektrisch leitenden Elemente in Bezug auf die Signalleitungen 60, 62, 64 als Kreuzschraffierungen erscheinen.
Jedes der Gitterrechteck weist vier Scheitel bzw. Ecken auf, die durch die Überschneidungen von zwei der elektrisch leitenden Elemente 22, 24 oder 42, 44 der jeweiligen Gitter 20, 40 gebildet sind. Die diagonalen Distanzen zwischen zwei sich gegenüberliegend angeordneten Scheiteln, beispielsweise zwischen einem Paar von Scheiteln 30 und 32 des oberen Gitters 20 bilden die größte Öffnungsdistanz D zwischen irgendwelchen zwei leitenden Elementen. Die Distanz D kann als die Größe eines Schlitzes in der Abschirmung betrachtet werden. Wie dies im Stand der Technik bei der Abschirmung von elektrischen Signalen gut bekannt ist, bilden, wenn die Schlitzgröße D die größte Öffnung des Gitters ist und wenn die Distanz kleiner als eine Hälfte der Wellenlänge der höchsten Signalfrequenz ist, die sich in irgendeiner der Signalleitungen 60, 62, 64 ausbreitet, die Abschirmungsgitter 20, 40 eine effektive Barriere für die Emission elektromagnetischer Energie von den Signalleitungen 60, 62, 64. Es wird darauf hingewiesen, daß ein elektrisches Taktsignal mit einer Frequenz von 100 MHz, beispielsweise Harmonische eines Vielfachen der Frequenz aufweist. Die Harmonischen der höchsten Signalfrequenz werden betrachtet, wenn der maximal zulässige Abstand für die elektrisch leitenden Elemente der Abschirmungsgitter 20, 40 ausgewählt wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Distanz D so ausgewählt, daß sie kleiner als 1/20 der Größe der kleinsten erwarteten Wellenlänge des Signales ist, das durch die Signalleitungen 60, 62, 64 verläuft.
Wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist, sind die Signalleitungen 60, 62, 64 zwischen den Gittern 20, 40 angeordnet und elektrisch von den Gittern 20, 40 durch einen oberen Isolator 50 und einen unteren Isolator 52 isoliert. Die obere Oberfläche des oberen Gitters 20 ist mit einem Isolator 54 beschichtet. Die untere Oberfläche des unteren Gitters 40 ist mit einem Isolator 56 beschichtet. Die Schichten werden sandwichartig miteinander verbunden und durch bekannte geeignete Klebstoffe in der richtigen Lage gehalten. Vorzugsweise weisen der obere Isolator 50 und der untere Isolator 52 einen elektrischen Isolator auf, der unter Verwendung eines Z LINK® Isolators von Sheldahl, Inc., Northfield, Minnesota gebildet wird. Der Z LINK-Isolator besitzt den Vorteil, daß er selbst klebend ist und daß durch geeignete Herstellungstechniken elektrische Zwischenverbindungen in dem Z LINK-Isolator hergestellt werden können, um die Abschirmungsgitter 20, 40 miteinander und/oder mit ausgewählten Signalleitungen 60, 62, 64 zu verbinden, um die ausgewählten Leitungen zu erden. Dieses ausgewählte Erden ist nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung und wird daher nicht erläutert.
Damit die folgende Beschreibung verständlicher wird, ist es hilfreich, ein X, Y, Z Koordinatensystem für die Figuren zu schaffen. Die X- und Y-Achse liegen in einer horizontalen Ebene, wie dies in der Fig. 2 gezeigt ist. Jedes Gitter von dem oberen Gitter 20 und dem unteren Gitter 40 liegt in Ebenen parallel zur horizontalen Ebene. In einer ähnlichen Weise liegen die Signalleitungen 60, 62, 64 in einer Ebene, die zwischen den Ebenen und parallel zu den Ebenen der beiden Gitter 20, 40 verläuft. Die Hauptorientierungen der Signalleitungen 60, 62, 64 sind parallel zur Y-Achse, wie dies die Fig. 2 zeigt, oder parallel zur X-Achse, außer wenn die Orientierung der Leitungen in dem Übergang zwischen den Hauptorientierungen liegt. Die Z-Achse ist senkrecht zur X- und Y- Achse, wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist.
Wie dies die Fig. 2 zeigt, sind die leitenden Elemente des oberen Gitters 20 und des unteren Gitters 40 so orientiert, daß die Elemente unter 45 Grad zur X-Achse und zur Y-Achse und so orientiert sind, daß die Diagonalen der durch die leitenden Elemente geformten Rechtecke parallel zur X-Achse oder parallel zur Y-Achse verlaufen.
Gemäß den Fig. 2 und 3 sind, obwohl das obere Gitter 20 und das untere Gitter 40 im wesentlichen die identische Struktur besitzen, die beiden Gitter nicht zueinander ausgerichtet positioniert, wie dies zu erwarten wäre. Statt dessen sind das obere Gitter 20 und das untere Gitter 40 in Bezug aufeinander versetzt, sodass ein Scheitel bzw. eine Ecke eines Rechteckes in dem oberen Gitter 20 von dem nächsten Scheitel bzw. der nächsten Ecke eines Rechteckes im unteren Gitter 40 durch eine Distanz von D/2 sowohl in der X-Richtung als auch in der Y-Richtung versetzt ist. Obwohl der Versatz größer oder kleiner als D/2 sein kann, ermöglicht ein Versatz von D/2 bei der Erfindung die maximale Steuerung der Impedanz. Insbesondere ist ersichtlich, daß kein leitendes Element des oberen Gitters 20 in der Z-Richtung gesehen direkt über irgendeinem leitenden Element des unteren Gitters 40 für irgendeine signifikante Distanz liegt. Statt dessen überkreuzen die leitenden Elemente des oberen Gitters 20 die leitenden Elemente des unteren Gitters 40 unter rechten Winkeln, sodass ein minimaler Kapazitanzwert zwischen den beiden Gittern 20, 40 an den Überschneidungen gebildet wird.
Wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist, sind die Signalleitungen 60, 62, 64 vorzugsweise so positioniert, daß die Signalleitungen 60, 62, 64 sich von Scheitel zu Scheitel der durch die leitenden Elemente des oberen und unteren Gitters 20, 40 definierten Rechtecke erstrecken. Wenn die Signalleitungen 60, 62, 64 in dieser Weise positioniert sind, verlaufen die Signalleitungen 60, 62, 64 unterhalb eines Scheitels des oberen Gitters 20 und dann über einen Scheitel des unteren Gitters 40. Die Signalleitungen 60, 62, 64 liegen daher nicht an jedem Ort zwischen den Elementen des oberen Gitters 20 und des unteren Gitters 40. Dadurch wird eine minimale Kapazitanz zwischen den Signalleitungen 60, 62, 64 und der Erde an allen Orten aufrechterhalten. Außerdem können die charakteristischen Impedanzen der elektrischen Leitungen 60, 62, 64 effektiv in Bezug aufeinander dadurch angepaßt werden, daß alle Leitungen in denselben Positionen in Bezug auf die leitenden Elemente des oberen und unteren Gitters 20, 40 positioniert werden.
Die Impedanz der Signalleitungen 60, 62, 64 ist eine Funktion des Widerstandes der Konduktanz, der Kapazität und der Induktanz gemäß der folgenden Gleichung:
wobei 20 die charakteristische Impedanz der Signalleitungen, R den Widerstand, G die Konduktanz, ω die Frequenz in Radian (d. h. 2 πf), j: (-1), L die Induktanz und C die Kapazitanz der Signalleitungen bezeichnen.
Bei hohen Frequenzen wird die Impedanz hauptsächlich durch die Kapazitanz und die Induktanz bestimmt. Die Gleichung (1) reduziert sich zu:
Auf diese Weise kann die Impedanz der Signalleitungen durch Reduzierung der Kapazitanz auf die Signalleitungen 60, 62, 64 ausreichend hoch gehalten werden, sodass sie der charakteristischen Impedanz von anderen Kreiswegen in einem elektronischen System, wie einem Notebook-Computer oder dergleichen entspricht. Beispielsweise wird es oft gewünscht, eine charakteristische Impedanz von 50 Ohm, eine Impedanz, die häufig in Hochfrequenz-Taktkreisen verwendet wird, zu schaffen.
Wo eine Mehrzahl von Signalleitungen ganz nahe beieinander angeordnet sind, wie z. B. die Signalleitungen 60, 62, 64 in Fig. 2, sind die Leitungen vorzugsweise in Bezug aufeinander durch eine Distanz d versetzt, die ein Mehrfaches einer Hälfte der diagonalen Distanz D zwischen den Scheiteln der durch die leitenden Elemente des oberen Gitters 20 und des unteren Gitters 40 gebildeten Rechtecke versetzt. Das heißt:
wobei n eine ganze Zahl ist. Diese selbe Beziehung der Position zwischen den Signalleitungen 60, 62, 64 wird vorzugsweise selbst dann aufrechterhalten, wenn die Signalleitungen 60, 62, 64 nicht so positioniert sind, daß sie die Gitter an den Scheiteln der Rechtecke überkreuzen. Wenn beispielsweise eine Leitung so positioniert ist, daß sie eine kleine Distanz von den Scheiteln der Rechtecke verläuft, sollten die anderen Leitungen dieselbe Distanz von den Scheiteln beabstandet verlaufen, sodass die Impedanzen der Leitungen im wesentlichen gleich sind.
Um eine Leitungsplatte zu erhalten, die in der Lage ist, Tausende von Biegungen zu machen, muß die Dicke des flexiblen Kabels in der Z-Richtung auf einem Minimum gehalten werden. Die Gitter müssen jedoch eine ausreichende Metallmenge haben, um wiederholten Biegungen, wie beispielsweise dem Öffnen und. Schließen des Displays eines Notebook-Computers zu widerstehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein flexibles Kabel mit einer Gesamtdicke von 0,0216 cm (0,0085 Inch) mit einem Abstand von 0,0127 cm (0,005 Inch) zwischen den Abschirmungsgittern 20, 40 ausgebildet und wobei die Signalleitungen 60, 62 und 64 etwa in der Mitte zwischen den beiden Gittern positioniert sind. Es wurde herausgefunden, daß bei dieser Dicke ein Gitter etwa 23 % Metallinhalt besitzt (d. h. in jedem Gitterquadrat etwa 23 % des Bereiches sind Metall und etwa 77% des Bereiches sind offen). Diese Konfiguration führt zu einer Impedanz von etwa 50 Ohm.
Für kommerzielle Zwecke ist es wünschenswert, daß die Abschirmung zu einer Effektivität von wenigstens 20 Dezibel führt.
Es kann gezeigt werden, daß die Wirksamkeit der Abschirmung folgendermaßen ausgedrückt werden kann:
Bei einem Metallbereich von 23%, einem Abstand D von etwa 0,152 cm (0,060 Inch) wird eine Wirksamkeit der Abschirmung von etwa 29 dB erreicht, was gut innerhalb der 20 dB liegt, die für kommerzielle Zwecke gefordert werden.
Gelegentlich müssen die Signalleitungen 60, 62, 64 aus einer Vielzahl von Gründen, beispielsweise um den Design-Layouts zu entsprechen oder um Verbindungen zwischen Anschlüssen, die nicht entlang einer Linie parallel zur Y-Achse ausgerichtet sind, herzustellen, neu geführt werden. In solchen Fällen müssen die Signalleitungen 60, 62, 64 zur Herstellung solcher Verbindungen neu orientiert werden. Wie dies in der Fig. 4 dargestellt ist, können solche Richtungsänderungen ausgeführt werden, während die Impedanzunstetigkeiten der Signalleitungen auf einem Minimum gehalten werden. Um eine Richtungsänderung von 90 Grad auszuführen, wird eine Signalleitung 70, die einen ersten Abschnitt 72 enthält, entlang der Scheitel der Gitter 20, 40 in einer Richtung parallel zur Y-Achse geführt. Der erste Abschnitt 72 verläuft in einen zweiten Abschnitt 74, der in Bezug auf den ersten Abschnitt unter 45 Grad orientiert ist. Der zweite Abschnitt 74 verläuft dann in einen dritten Abschnitt 76, der unter 45 Grad in Bezug auf den zweiten Abschnitt 74 orientiert ist und daher unter 90 Grad in Bezug auf den ersten Abschnitt 72 orientiert ist. Wie dies gezeigt ist, erfolgt die erste 45 Grad Drehung in der Signalleitung 70 etwa halbwegs zwischen einem Scheitel des oberen Gitters 20 und einem Scheitel des unteren Gitters 40. Der zweite Abschnitt 74 der Leitung 70 verläuft entlang eines Weges parallel zu den leitenden Elementen, sowohl des oberen Gitters 20 als auch des unteren Gitters 40, ist jedoch von diesen beabstandet. Die zweite Drehung von 45 Grad erfolgt im wesentlichen halbwegs zwischen Scheiteln des oberen und unteren Gitters 20, 40 und der dritte Abschnitt 76 verläuft dann wie zuvor von Scheitel zu Scheitel, jedoch parallel zur X- Achse anstatt zur Y-Achse.
Die oben erläuterte und in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Erfindung führt zu einem flachen Kabel oder einer flexiblen Leiterplatte, die flexible Bezugsebenen aufweist, Tausende von Biegungen in einem Streifenleitungsdesign ausführen kann und eine gewünschte Impedanz erreicht, die eine Übertragung von Signalen ohne Verschlechterung der Signalqualität erlaubt, während eine akzeptable Abschirmungsfähigkeit geschaffen wird. Dieses Design beruht auf einem Paar von symmetrischen, verschobenen Bezugsebenen und zentrierten Leitungen in der Form von Streifenleitungen. Sie ist insbesondere bei Anwendungen nützlich, bei denen ein dünner flexibler Schaltkreis von etwa 0,127 mm (5 mils) gefordert wird.
Es besteht jedoch im Stand der Technik auch ein Bedürfnis, eine Leiterplatte mit einer vergrößerten Impedanz zu schaffen, ohne daß eines der herkömmlichen Verfahren, die Nebenwirkungen haben, verwendet wird. Beispielsweise führt eine Vergrößerung des Abstandes zwischen der Signalleitung und der Abschirmung zu einer Verkleinerung der Kapazitanz und daher zu einer Vergrößerung der Impedanz. Der vergrößerte Abstand führt in ähnlicher Weise jedoch zu einer Vergrößerung der Dicke der Leiterplatte, die bei vielen Anwendungsfällen nicht erwünscht wird. Die kapazitive Kopplung zwischen den Signalleitungen und der Abschirmung kann dadurch verkleinert werden, daß die Breite der Leitung oder die Dicke der Leitung verkleinert wird, was auch die Impedanz vergrößern kann. Es wird jedoch noch einmal darauf hingewiesen, daß solche Änderungen unerwünscht sein können. Außerdem kann die Impedanz dadurch verändert werden, daß entweder ein nicht homogenes oder ein nicht übliches dielektrisches Material verwendet wird. Es besteht im Stand der Technik ein weiteres Bedürfnis, diese gewünschte vergrößerte Impedanz zu erreichen, die die Übertragung von Signalen ohne Verschlechterung der Signalqualität oder ohne Verlust der Signaldichte ermöglicht, während eine akzeptable Abschirmungsfähigkeit geschaffen wird. Diese Ziele können durch die nachfolgend ausführlich erläuterte Erfindung erreicht werden.
Die Fig. 5 zeigt eine Aufsicht einer bevorzugten Ausführungsform der Leiterplatte 100 der vorliegenden Erfindung, die als ein Hochimpedanz-Bus 112 ausgeführt ist. Wie dies in der Fig. 5 dargestellt ist, kann der Hochimpedanz-Bus 112 als ein Abschnitt einer Leiterplatte ausgeführt sein. Dies ermöglicht Zwischenverbindungen zwischen integrierten Schaltkreisen 114A, 114B, 114C entlang dem Bus 112, die über Hochimpedanz-Leitungen verbunden werden müssen. Eine solide Erdebene 116 umgibt den Hochimpedanz-Bereich 112, sodass eine Leitwegführung von "gewöhnlichen" Impedanzsignalen möglich ist. Alternativ kann der Hochimpedanz-Bereich 112 in vielen Abschnitten verwendet werden oder eine ganze Schicht auf der Leiterplatte 100 umfassen.
Wie dies in der Fig. 5 dargestellt ist, weist die Leiterplatte 100 der vorliegenden Erfindung eine erste Mehrzahl von Signalleitungen 120, 122, 124, ein Bezugsgitter 130, das einen Satz von elektrisch leitenden Elementen aufweist und eine zweite Mehrzahl von Signalleitungen 140, 142, 144 auf, die alle in vorbestimmten Orten in Bezug aufeinander ausgerichtet sind, wie dies nachfolgend erläutert werden wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Signalleitungen 120, 122, 124 über dem Bezugsgitter 130 vorgesehen sein, ohne daß eine zweite Mehrzahl von Signalleitungen unter dem Gitter 130 vorhanden sind. Bei einer noch weiteren Ausführungsform können die Signalleitungen 120, 122, 124 unter dem Bezugsgitter 130 vorgesehen sein, ohne daß eine zweite Mehrzahl von Signalleitungen über dem Gitter 130 vorhanden sind.
Wie dies in der Fig. 5 dargestellt ist, weist das Bezugsgitter 130 ein gleichmäßiges Muster auf, das bei der bevorzugten Ausführungsform so ausgewählt ist, daß es ein sich wiederholendes Muster von Rechtecken ist, die durch die elektrisch leitenden Elemente 132, 134 gebildet sind, die das Gitter 130 bilden. Wie dies dargestellt ist, verlaufen bei der bevorzugten Ausführungsform die Elemente 132 des Gitters 130 senkrecht zu den Elementen 134. Vorzugsweise wird das Gitter 130 durch Ätztechniken zur Herstellung von Leiterplatten dadurch gebildet, daß Kupfer oder ein anderes leitendes Material von einem Rohling einer Leiterplatte derart entfernt wird, daß das nach dem Ätzen verbleibende leitende Material die leitenden Elemente 132, 134 bildet.
Insbesondere aus den nachfolgend erläuternden Gründen sind die Rechtecke um 45 Grad in Bezug auf die Hauptorientierung der Signalleitungen 120, 122, 124 orientiert, sodass die elektrisch leitenden Elemente als Kreuzschraffur in Bezug auf die Signalleitungen 120, 122, 124 erscheinen. In ähnlicher Weise sind die Rechtecke unter 45 Grad in Bezug auf die Hauptorientierung der Signalleitungen 140, 142, 144 orientiert. Aus Gründen, die nachfolgend erläutert werden, sind die Signalleitungen 120, 122, 124 jedoch unter 90 Grad in Bezug auf die Signalleitungen 140, 142, 144 orientiert.
Die Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Abschnittes 6-6 der Fig. 5. Obwohl nur zwei Signalleitungen, nämlich die Leitung 120 und die Leitung 140 in der Fig. 6 dargestellt sind, wird darauf hingewiesen, daß diese lediglich zur Erläuterung dargestellt sind und daß die folgende Beschreibung auf die Signalleitungen 120, 122, 124, 140, 142 und 144 anzuwenden ist. Wie dies in der Fig. 6 dargestellt ist, weist jedes der Gitterrechtecke vier Ecken bzw. Scheitel auf, die durch Überschneidungen der beiden elektrisch leitenden Elemente 132, 134 des Gitters 130 gebildet sind. Die diagonale Distanz zwischen den beiden gegenüberliegenden Scheiteln, beispielsweise einem Paar von Scheiteln 136 und 138 des Gitters 130 bildet die größte offene Distanz D zwischen irgendwelchen zwei leitenden Elementen. Die Distanz D kann als die Größe eines Schlitzes in dem Bezugsgitter 130 betrachtet werden. Wie dies im Stand der Technik der Abschirmung von elektrischen Signalen gut bekannt ist, bildet das Bezugsgit ter 130 dann, wenn die Schlitzgröße die größte Öffnung des Gitters ist und wenn die Distanz kleiner als eine Hälfte der Wellenlänge der höchsten Signalfrequenz ist, die sich in irgendeiner der Signalleitungen 120, 122, 124, 140, 142, 144 ausbreitet, eine effektive Barriere für die Emission elektromagnetischer Energie von den Signalleitungen 120, 122, 124, 140, 142 und 144. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß ein elektrisches Taktsignal, das eine Frequenz von 100 MHz aufweist, beispielsweise Harmonische von Vielfachen dieser Frequenz aufweist. Die Harmonischen der höchsten Signalfrequenz werden betrachtet, wenn die maximal zulässige Beabstandung für die elektrisch leitenden Elemente des Bezugsgitters 30 ausgewählt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Distanz D so ausgewählt, daß sie kleiner als 1/20 der Größe der kleinsten zu erwarteten Wellenlänge des Signales ist, das durch die Signalleitungen 120, 122, 124, 140, 142, 144 verläuft.
Wie dies in der Fig. 7 dargestellt ist, sind die oberen Signalleitungen 120, 122, 124 oberhalb des Gitters 130 angeordnet und sind die unteren Signalleitungen 140, 142, 144 unterhalb des Gitters 130 angeordnet. Wie dies oben erläutert wurde, ist die folgende Beschreibung auf die Signalleitungen 120, 122, 124, 140, 142 und 144 anzuwenden, obwohl nur Leitungen 120, 140 dargestellt sind. Die obere Signalleitung 120 ist gegenüber dem Gitter 130 durch einen oberen Isolator 152 elektrisch isoliert und die untere Signalleitung 140 ist vom Gitter 130 durch einen unteren Isolator 154 elektrisch isoliert. Die obere Oberfläche der oberen Signalleitung 120 ist mit einem Isolator 156 beschichtet. Die untere Oberfläche der unteren Signalleitung 140 ist mit einem Isolator 158 beschichtet. Die Schichten sind sandwichartig miteinander verbunden und werden in der richtigen Lage durch geeignete Klebstoffe gehalten, die im Stand der Technik bekannt sind.
Um die folgende Beschreibung vollständiger verstehen zu können, ist es hilfreich ein X, Y, Z Koordinatensystem für die Figuren zu schaffen. Die X-Achse und die Y-Achse liegen in einer horizontalen Ebene, wie dies die Fig. 5 und 6 zeigen. Das Gitter 30 befindet sich in einer Ebene parallel zur horizontalen Ebene. Ähnlich liegen die Signalleitungen 120, 122, 124 in einer Ebene oberhalb und parallel zur Ebene des Gitters 130. Die Signalleitungen 140, 142, 144 liegen ebenfalls in einer Ebene unterhalb und parallel zur Ebene des Gitters 130. Die Hauptorientierungen der Signalleitungen 120, 122, 124 verlaufen parallel zur X-Achse, wie dies die Fig. 5 und 6 zeigen. Die entsprechenden Hauptorientierungen der Signalleitungen 140, 142, 144 verlaufen parallel zur Y-Achse, wie dies die Fig. 5 und 6 zeigen. Alternativ können die Signalleitungen 120, 122, 124 parallel zur Y-Achse orientiert sein, wobei die entsprechenden Signalleitungen 140, 142, 144 parallel zur X-Achse orientiert sind. Zum Zwecke der Diskussion wird die zuerst genannte Orientierung verwendet. Die Z- Achse verläuft senkrecht zur X-Achse und zur Y-Achse, wie dies die Fig. 7 zeigt.
Wie dies in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, sind die leitenden Elemente 132, 134 des Gitters 130 so orientiert, daß die Elemente unter 45 Grad zur X-Achse und zur Y-Achse orientiert sind und daß die Diagonalen der Rechtecke, die durch die leitenden Elemente 132, 134 gebildet werden parallel zur X-Achse oder parallel zur Y-Achse verlaufen.
Wie dies weiter in der Fig. 5 dargestellt ist, sind die Signalleitungen 120, 122, 124 vorzugsweise so positioniert, daß die Signalleitungen 120, 122, 124 von Scheitel zu Scheitel der durch die leitenden Elemente des Gitters 130 definierter Rechtecke entlang und parallel zur X-Achse verlaufen. In ähnlicher Weise verlaufen die Signalleitungen 140, 142, 144 von Scheitel zu Scheitel der durch die leitenden Elemente des Gitters 130 definierten Rechtecke entlang und parallel zur Y- Achse. Wenn die Signalleitungen 120, 122, 124 in dieser Weise positioniert sind, verlaufen die Signalleitungen 120, 122, 124 über die Scheitel des Gitters 130 parallel zur X-Achse und die Signalleitungen 140, 142, 144 verlaufen unterhalb der Scheitel des Gitters 130 parallel zur Y-Achse. Auf diese Weise liegen die Signalleitungen 120, 122, 124 und 140, 142, 144 an keinem Ort zwischen den Elementen des Gitters 130. Dadurch wird eine minimale Kapazitanz zwischen den oberen Signalleitungen 120, 122, 124 und Erde und den unteren Signalleitungen 140, 142, 144 und Erde an allen Orten aufrecht erhalten. Außerdem können durch Positionierung aller Leitungen in denselben Positionen in Bezug auf die leitenden Elemente des Gitters 130 die charakteristischen Induktivitäten der elektrischen Leitungen 120, 122, 124 effektiv in Bezug aufeinander angepaßt werden.
Die Impedanz von Leitungen mit niedrigen Verlusten, wie beispielsweise den Signalleitungen 120, 122, 124, 140, 142, 144 ist im allgemeinen eine Funktion des Widerstandes, der Konduktanz, der Kapazitanz und der Induktanz gemäß der folgenden Beziehung:
wobei 20 die charakteristische Impedanz der Signalleitungen, R der Widerstand, G die Konduktanz, ω die Frequenz in Radian (d. h. 2 πf), j: (-1), L die Induktanz und C die Kapazitanz der Signalleitungen bezeichnen.
Bei hohen Frequenzen wird die Impedanz hauptsächlich durch die Kapazitanz und die Induktanz bestimmt und die Vergleichung (5) verringert sich zu:
Durch Reduzierung der kapazitiven Kopplung der Leitungen zur Bezugsebene wird der Wert C im Nenner der Gleichung (6) verkleinert und die charakteristische Impedanz wird vergrößert (d. h. die Impedanz ist umgekehrt proportional zur Kapazitanz pro Längeneinheit der Leitung). Dies hat den offenkundigen Effekt, daß die Bezugsebene weiter weg von der Leitung bewegt wird, wodurch die charakteristische Impedanz der Signalleitungen vergrößert wird.
Die Fig. 8 zeigt eine Schnittdarstellung der vorliegenden Erfindung, die mit einer sechsschichtigen Leiterplatte 200 ausgeführt ist. Die oberen drei Schichten 202 in Fig. 8 umfassen eine obere Signalleitung 120, ein Bezugsgitter 130 und eine untere Signalleitung 140 der vorliegenden Erfindung. Die Signalleitung 120 ist auf der ersten Schicht 204 angeordnet. Das Bezugsgitter 130 ist auf der zweiten Schicht 206 angeordnet. Die untere Signalleitung 140 ist auf der dritten Schicht. 208 angeordnet. Die unteren drei Schichten 210 stellen die Übertragungsleitungen und Bezugsebenen eines herkömmlichen Mikrostreifendesigns dar. Die erste Schicht 212 dieser drei unteren Schichten 210 umfaßt eine erste Signalleitung 214. Die zweite Schicht 216 dieser drei unteren Schichten 210 weist eine feste Bezugsebene 218 auf. Die dritte Schicht 220 weist eine zweite Signalleitung 222 auf. Die Schichten 204, 206, 208, 212, 216 und 220 sind voneinander durch Isolatoren elektrisch isoliert und werden sandwichartig in der richtigen Lage durch geeignete Klebstoffe zusammengehalten, die im Stand der Technik bekannt sind.
Die Beziehung zwischen der charakteristischen Impedanz und dem Abstand zwischen der Leitung und der Bezugsebene für eine herkömmliche Mikrostreifenübertragungsleitung wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
wobei
h den Abstand zwischen der Oberflächenleitung und der Bezugsebene bezeichnet,
w die Breite der Leitung ist; und
&epsi;r die dielektrische Konstante des Materials zwischen der Leitung und der Bezugsebene bezeichnet.
Die Beziehung zwischen der charakteristischen Impedanz und dem Abstand zwischen der Leitung und den Bezugsebenen für eine herkömmlich zentrierte Streifenleitung wird durch die folgende Formel ausgedrückt:
wobei:
B den Abstand zwischen der Leitung und der soliden Bezugsebene,
t die Dicke der Leitung; und
η&sub0; die intrinsische Impedanz der Leitung bezeichnen.
Die Gleichungen (7) und (8) liefern genauere Darstellungen der Beziehung zwischen der charakteristischen Impedanz und dem Abstand zwischen der Leitung und der Bezugsebene (den Bezugsebenen) für Mikrostreifendesigns bzw. Streifenleitungsdesigns.
Üblicherweise wurde die Impedanz der Übertragungsleitungen der Leiterplatte durch tatsächliche Vergrößerung des Abstandes zwischen der Leitung und der Bezugsebene vergrößert. Unter Bezugnahme auf die Fig. 8, die Gleichung (7) und die Gleichung (8) würde dies eine Vergrößerung von h für die Mikrostreifenschichten und b für die Streifenleitungsschichten bedeuten. Als Ergebnis würde die Impedanz aller Leitungen auf jenen Schichten entsprechend vergrößert. Wenn "gewöhnliche" Plattenimpedanzen von 50 bis 65 Ω auch auf derselben Ebene wie die Hochimpedanzschichten gefordert werden, würde es notwendig sein, die Breite ω der Leitungen zu vergrößern, um die vorherrschenden Impedanzen von 50 und 65 Ω der anderen Signale auf der Platte aufrecht zu erhalten.
Unglückerlicherweise müßte die benötigte Leitungsbreite (w) von den gewünschten 0,102 mm (4 mils) oder 0,127 mm (5 mils) auf 0,693 mm (27,3 mils) und 0,417 mm (16,4 mils) jeweils ansteigen, um diese Impedanzen aufrecht zu erhalten. Diese Leitungsbreiten passen nicht zwischen die Anschlußpads feiner Teilungen von Einrichtungen und müßten daher um integrierte Kreischips, wie diejenigen, die in der Fig. 5 gezeigt sind, herumgeführt werden. Außerdem müßten Leitungen von "gewöhnlichen" Impedanzen, die von anderen Schichten auf die Hochimpedanzschicht geführt würden, im Hinblick auf ihre Breiten von Schicht zu Schicht eingestellt werden, um die angepaßte Impedanz entlang ihrer gesamten Länge aufrecht zu erhalten. Selbst ohne die Probleme, die bei dem Versuch der Führung zwischen Einrichtungen mit Pads feiner Teilungen anzutreffen sind, würde ein Vergrößerung von h oder b zu einer etwa 2,7 · kleineren Signaldichte führen, weil weniger Signalleitungen auf derselben Schicht ausgeführt werden können. Außerdem würde die benötigte Vergrößerung von b für eine streifenleiterförmige Leitung zu einer Plattendicke führen, die die übliche Leiterplattenausführung von 1,575 mm (62 mils) weit übertreffen würde.
Wie dies oben erläutert wurde, ermöglicht die vorliegende Erfindung die Konstruktion von Signalleitungen in ausgewählten Bereichen mit einem viel größeren Bereich von Impedanzen als in herkömmlichen Designs. Dies erfolgt durch die Einführung einer neuen Variablen, die bei herkömmlichen Mikrostreifen- und Streifenleitungsdesigns nicht betrachtet wurde, die einen bedeutsamen Einfluß auf die Impedanz der Leitung hat. Diese neue Variable ist der Kupferanteil in Prozent, der bei der Konstruktion der Bezugsebene verwendet wird. Üblicherweise sind Bezugsebenen massiv. Um die charakteristische Impedanz in herkömmlicher Weise zu vergrößern, muß der Abstand zwischen der Signalleitung und der Bezugsebenen physikalisch vergrößert werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Vergrößerung der Impedanz ohne eine physikalische Vergrößerung des Abstandes zwischen den Signalleitern und der Bezugsebene. Auf diese Weise kann die Impedanz ohne Vergrößerung der Dicke der Leiterplatte vergrößert werden. Außerdem kann die Impedanz der Signalleitungen über einen weiten Bereich dadurch geändert werden, daß der Kupferanteil in Prozent verändert wird, der bei der Konstruktion der Bezugsebene verwendet wird. Die vorliegende Erfindung eliminiert auch wirksam die Probleme, wie oben beschrieben, die bei herkömmlichen Mikrostreifen- und Streifenleitungsdesigns anzutreffen sind.
Während die vorliegende Erfindung den offensichtlichen Effekt der Vergrößerung des Abstandes zwischen der Signalleitung und der Bezugsebene hat, besitzt sie diesen Effekt nur in dem Bereich, in dem sie angewendet wird und nur für die zwei Signalschichten unmittelbar neben der Bezugsebene. Auf diese Weise werden die Charakteristiken der Übertragungsleitungen in dem Rest der Leiterplatte nicht verändert. In Fig. 8 weisen daher die Signalleitungen 120 und 140 in den Schichten 204 und 208 jeweils eine hohe Impedanz wegen des Gitters 130 auf, während die Signalleitungen 214 und 222 in Schichten 212 und 220 jeweils nicht durch das Vorhandensein des Gitters 130 beeinflußt werden und daher mit einer normalen Impedanz arbeiten.
Beispielsweise beträgt bei Designparametern von x = 0,254 mm (10 mils), b = 1,036 mm, (40, 8 mils), h = 0,203 mm (8 mils) und einer Leitungsbreite von 0,203 mm (8 mils), die Impedanz der Signalleitung 120 (ein Mikrostreifen) etwa 92 Ohm, wenn ein Gitter mit 17% Kupfer verwendet wird. Bei Verwendung derselben Designparameter und einer Leitungsbreite von 0,152 mm (6 mils) beträgt die Impedanz der Signalleitung 140 (eine Streifenleitung) etwa 92 Ohm.
Außerdem würde die Wirkung der Verwendung einer kreuzschraffierten Bezugsebene in der Schicht zwei mit 17% Kupfer die Impedanz für die Signalleitung 214 in der Schicht 212 virtuell unbeeinflußt lassen, während die Impedanz der Signalleitung 222 in der Schicht 210 vollständig unbeeinflußt ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der virtuellen Eliminierung einer Quelle für Nebensprechen, nämlich für Nebensprechen in Vorwärtsrichtung aus denjenigen Signalen, die von unterhalb des Gitters 130 geführt werden. Nebensprechen ist die Wirkung der Signalkopplung von einem Kanal in einen anderen Kanal. Nebensprechen kann von einer Anzahl von Quellen entstehen, von denen eine das Ungleichgewicht der Kabelparameter, insbesondere der Kapazitanz und der Induktanz zwischen Leitungen ist. Wegen dieses Ungleichgewichtes kann eine Nettokopplung des Signals von einer Leitung in eine andere Leitung entstehen.
Ein solches Ungleichgewicht wird im allgemeinen verschlimmert, wenn eine Leitung einem nicht homogenen Medium ausgesetzt wird, wie dies im Falle von herkömmlichen Mikrostreifenkonstruktionen der Fall ist. Dies ist so, weil ein Nebensprechen in Vorwärtsrichtung das Ergebnis der Differenz zwischen geradzahligen und ungeradzahligen Spurgeschwindigkeiten ist, wie dies bekannt ist. In einem homogenen Medium sind die geradzahligen und ungeradzahligen Spurgeschwindigkeiten gleich und löschen einander aus. Dies führt zu einer Eliminierung des Nebensprechens in Vorwärtsrichtung. In einem nicht homogenen Medium sind diese beiden Geschwindigkeiten ungleich. Dies führt zu einem Faktor ungleich Null und zu einer Entstehung eines Nebensprechens in Vorwärtsrichtung. Bei herkömmlichen Konstruktionen, die hohe Impedanzen zulassen, wie beispielsweise bei Mikrostreifenkonstruktionen, bilden Leitungen mit wenigstens drei unterschiedlichen Dialektrikas, typischerweise FR-4, Lötmasken und Luft, eine Schnittstelle. Diese nicht homogene Umgebung führt zu unterschiedlichen geradzahligen und ungeradzahligen Spurgeschwindigkeiten, die zu einem Nebensprechen in Vorwärtsrichtung führen.
Bei der vorliegenden Erfindung können Signale in einer Umgebung einer Quasi-Streifenleitung durch die Signalleitung 140 unter dem Gitter 130, insbesondere dann stammen, wenn es nötig ist, daß Signale über zueinander parallele Leitungen über elektrisch lange Distanzen verlaufen. "Elektrisch lange" Distanzen sind Distanzen in der Nähe von λ/4, wo eine maximale Kopplung auftritt. Weil diese Leitungen 140, 142, 144 auf der Schicht 208 in einer nahezu homogenen Umgebung geführt werden, ist die Differenz zwischen der geradlinigen und der ungeradlinigen Spurgeschwindigkeit nahezu Null und aus diesem Grunde liegt das Nebensprechen in Vorwärtsrichtung in der Nähe von Null. Als Ergebnis eliminiert die vorliegende Erfindung virtuell das Nebensprechen in Vorwärtsrichtung.
Wenn eine Mehrzahl von Signalleitungen in enger Nähe angeordnet sind, wie dies beispielsweise für die Signalleitungen 120, 122, 124 oder 140, 142, 144 in Fig. 5 zutrifft, sind die Leitungen 120, 122, 124 oder 140, 142, 144 vorzugsweise in Bezug aufeinander durch eine Distanz d versetzt, die ein Vielfaches einer Hälfte der diagonalen Distanz D zwischen den Scheiteln der Rechtecke ist, die durch die leitenden Elemente des Gitter 130 gebildet werden. Die Beziehung zwischen dem Versatz und der diagonalen Distanz D ist in der Gleichung (3) dargestellt.
Diese selbe Positionsbeziehung zwischen den Signalleitungen 120, 122, 124 oder 140, 142, 144 wird vorzugsweise selbst dann aufrechterhalten, wenn die Signalleitungen 120, 122, 124 oder 140, 142, 144 nicht so positioniert sind, daß sie das Gitter 130 an den Scheiteln der Rechtecke kreuzen. Wenn beispielsweise eine Leitung so positioniert ist, daß sie eine kleine Distanz von den Scheiteln der Rechtecke entfernt verläuft, sollten die anderen Leitungen unter derselben Distanz von den Scheiteln verlaufen, sodass die Impedanzen der Leitungen im wesentlichen gleich sind.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Vorteilen ermöglicht das neue Design eine noch nicht dagewesene Abschirmung für Hochimpedanzleitungen, die unter dem Bezugsgitter geführt werden. Da das vorliegende Design die Führung von Hochimpedanzleitungen auf beiden Schichten 204 (Mikrostreifen oder eingebettete Mikrostreifen) und 208 (Streifenleitung oder Quasi-Streifenleitung) in Fig. 8 ermöglicht, ist es möglich, Hochimpedanzsignale nur durch Leitungen auf der Schicht 208 auf einer typischen sechsschichten Leiterplatte zu führen. Wenn außerdem mehr Leitungen einer hohen Impedanz gewünscht werden, kann eine gitterförmige Bezugsebene auf der Schicht 216 verwendet werden und die Leitung 214 auf der Schicht 212 liefert die geforderte zusätzliche hohe Impedanz, während das Gitter auf der Schicht 216 die erforderliche Abschirmung liefert.
Für kommerzielle Zwecke ist es wünschenswert, daß die Abschirmung eine Wirkung von wenigstens 20 Dezibel liefert. Das vorliegende Design kann eine beträchtliche Abschwächung der typischen Frequenzen (100 MHz bis 500 MHz) liefern, die in der Nähe von Anstiegszeiten im Nanosekundenbereich anzutreffen sind. Die Beziehung zwischen der Wirksamkeit der Abschirmung, der maximalen Dimension (D) des Schlitzes und der Wel lenlänge des Signals in der Leitung ist in der Gleichung (4) ausgedrückt. Mit einem Metallbereich von 23%, einem Abstand D von etwa 0,152 cm (0,060 Inch) wird eine Abschirmungswirksamkeit von etwa 29 dB erreicht, die gut innerhalb der für kommerzielle Zwecke geforderten 20 dB liegt.
Gelegentlich müssen die Signalleitungen 120, 122, 124 oder 140, 142, 144 aus einer Vielzahl von Gründen neu angeordnet werden, beispielsweise, um den Layouts des Designs zu entsprechen oder um Verbindungen zwischen den Anschlüssen herzustellen, die nicht entlang einer Linie ausgerichtet sind, die parallel zur Y-Achse verläuft. In solchen Fällen müssen die Signalleitungen 120, 122, 124 oder 140, 142, 144 neu orientiert werden, um diese Verbindungen herzustellen. Wie dies in den Fig. 5, 9 und 10 dargestellt ist, können solche Richtungsänderungen bewerkstelligt werden, während die Impedanz Unstetigkeiten der Signalleitungen auf einem Minimum gehalten werden. Um eine 90 Grad-Richtungsänderung auszuführen, wird eine Signalleitung 124, die über einem Gitter 130 angeordnet ist, zuerst entlang der Scheitel des Gitters 130 in einer Richtung parallel zur X-Achse angeordnet. Ein Durchgangsloch 134 wird durch die Leitungsplatten, die eine erste Signalleitung 124 und das Gitter 130 aufweisen, zu einer zweiten Signalleitung 144 gebohrt, die unter dem Gitter 124 liegt. Die zweite Leitung 144 wird unter 90 Grad in Bezug auf die erste Leitung 130 orientiert und auch entlang der Scheitel des Gitters 130 in einer Richtung parallel zur Y-Achse ausgerichtet. Die erste Leitung 124 wird elektrisch mit der zweiten Leitung 144 über das Durchgangsloch 134 verbunden, das mit einem Lötmittel ausgefüllt wird, wie dies bekannt ist. Auf diese Weise können die Leitungen neu geführt werden, während Unstetigkeiten auf einem Minimum gehalten werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es demgemäß, daß die Designer von Mikrostreifen und Streifenleitungen von einem sehr viel größeren Bereich von Impedanzen gegenüber herkömmlichen Designs auswählen. Dieses Design ist besonders nützlich zur Herstellung von Leitungen einer sehr hohen Impedanz in ausgewählten Bereichen einer Leiterplatte ohne die Dicke von Standardleiterplatten zu vergrößern, ohne die Breite oder Dicke von Signalleitungen zu verkleinern und ohne von der Verwendung nicht homogener oder nicht dem Standard entsprechender Dialektrikas Gebrauch zu machen. Die vorliegende Erfindung schafft auch eine hohe Impedanz, während die hohe Signaldichte und ein bedeutender Pegel der Abschirmung aufrechterhalten werden, während das Nebensprechen zwischen den Leitungen der hohen Impedanz reduziert wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einer bestimmten bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, sind auch andere dem Fachmann offenkundige Ausführungsformen möglich. Demgemäß wird die vorliegende Erfindung nur die folgenden Patentansprüche definiert.

Claims

1. Leiterplatte (10) mit:

einem ersten Abschirmungsgitter (20) mit einem ersten, in einer ersten Ebene liegenden Muster;

einem zweiten Abschirmungsgitter (14) mit einem zweiten, in einer zweiten Ebene liegenden Muster, wobei dieses zweite Muster gegenüber dem ersten Muster versetzt ist;

einer ersten Signalleitung (64), die in einer dritten Ebene zwischen dem ersten und dem zweiten Abschirmungsgitter (20, 40) so angeordnet ist, daß die erste Signalleitung (64) an einer gewählten Position in der dritten Ebene im Hinblick auf die ersten und zweiten Muster des ersten bzw. zweiten Abschirmungsgitter (20, 40) angeordnet ist;

einem ersten Isolator (50), der zwischen dem ersten Abschirmungsgitter (20) und der ersten Signalleitung (64) angeordnet ist; und

einem zweiten Isolator (52), der zwischen dem zweiten Gitter (40) und der ersten Signalleitung (64) angeordnet ist.

2. Leiterplatte (10) nach Anspruch 1, wobei sowohl das erste als auch das zweite Muster leitende Elemente (22, 24, 42, 44) aufweist, die in einem geometrischen Muster miteinander verbunden sind.

3. Leiterplatte (10) nach Anspruch 2, wobei das geometrische Muster eine Öffnung zwischen den leitenden Elementen (22, 24, 42, 44) aufweist und wobei die größte Dimension (D) dieser Öffnung kleiner ist als eine halbe Wellenlänge der höchsten Frequenz eines Signales, das über die erste Signalleitung (64) geleitet wird.

4. Leiterplatte (10) nach Anspruch 3, wobei die größte Dimension (D) dieser Öffnung kleiner ist als ein Zwanzigstel der Wellenlänge der höchsten Frequenz eines Signales, das über die erste Signalleitung (64) geleitet wird.

5. Leiterplatte (10) nach Anspruch 4, wobei die Leiterplatte (10) ferner eine zweite Signalleitung (62) aufweist.

6. Leiterplatte nach Anspruch 5, wobei die zweite Signalleitung (62) im wesentlichen parallel zu der ersten Signalleitung (64) ist.

7. Leiterplatte (10) nach Anspruch 6, wobei die zweite Signalleitung (62) um ein ganzes Vielfaches der halben Distanz der größten Dimension (D) der Öffnung in dem Gitter versetzt ist.

8. Leiterplatte (10) nach Anspruch 7, wobei der Versatz ein Faktor der halben Distanz der größten Dimension der Öffnung des Gitters ist.

9. Leiterplatte (10) nach Anspruch 2, wobei die Öffnung rechteckige Gestalt hat.

10. Leiterplatte (10) nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Muster Scheitel (30) des ersten und des zweiten Gitters (20, 40) bilden und wobei die gewählte Position der Signalleitung (64) durch die Scheitel (30) der Gitter (20, 40) bestimmt ist.

11. Leiterplatte nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Gitter (20, 40) und die Signalleitung (64) ein flexibles Kabel aufweisen.

12. Leiterplatte (10) nach Anspruch 1, wobei:

das erste Abschirmungsgitter (20) eine erste Vielzahl von in einer ersten Richtung orientierten leitenden Elementen (22) und eine zweite Vielzahl von in einer zweiten, zu der ersten Richtung senkrechten Richtung ausgerichteten leitenden Elementen (24) aufweist, so daß die erste Vielzahl von leitenden Elementen (22) und die zweite Vielzahl von leitenden Elementen (24) eine Vielzahl von Rechtecken bilden, wobei diese Rechtecke Scheitel (30) entsprechend den Schnittpunkten der ersten und zweiten Vielzahl von leitenden Elementen (22, 24) haben und wobei die Scheitel (30) voneinander längs diagonaler Richtung mit 45º zu der ersten und der zweiten Richtung voneinander eine diagonale Distanz (D) haben;

das zweite Abschirmungsgitter (40) in seiner Struktur identisch zu dem ersten Abschirmungsgitter ist, wobei das zweite Abschirmungsgitter (40) im wesentlichen parallel zu dem ersten Abschirmungsgitter (20) angeordnet ist, so daß die Schnittpunkte (30) der leitenden Elemente (22, 24) des ersten Abschirmungsgitters von den Schnittpunkten des zweiten Abschirmungsgitters (40) in den genannten diagonalen Richtungen um eine Distanz entfernt gelegen sind, die im wesentlichen gleich der Hälfte der diagonalen Distanz (D) ist; und

die Leiterplatte (10) eine Vielzahl von Signalleitungen (60, 62, 64) aufweist, die zwischen den Abschir mungsgittern (20, 40) angeordnet und in einer Richtung im wesentlichen parallel zu einer der genannten diagonalen Richtungen orientiert sind.

13. Leiterplatte (10) nach Anspruch (12), wobei die Signalleitungen (60, 62, 64) so orientiert sind, daß sie nahe den Scheiteln (30) der Rechtecke vorbeilaufen.

14. Herstellungsverfahren für eine Leiterplatte mit folgenden Schritten:

Anordnen eines ersten Abschirmungsgitters (20) mit einer ersten Musterkonfiguration in einer ersten Ebene;

Anordnen eines zweiten Abschirmungsgitters (40) mit einer zweiten Musterkonfiguration in einer zweiten, zu der ersten Ebene parallelen Ebene und Versetzen dieses zweiten Abschirmungsgitters (40) gegenüber dem ersten Abschirmungsgitter (20) in einer Richtung in der zweiten Ebene;

Anordnen einer Signalleitung (64) zwischen dem ersten und dem zweiten Abschirmungsgitter (20, 40) in einer dritten Ebene, so daß diese Signalleitung (64) an einer gewünschten Position in der dritten Ebene im Hinblick auf das erste und zweite Abschirmungsgitter (20, 40) angeordnet ist;

Anordnen eines ersten Isolators (50) zwischen dem ersten Gitter (20) und der ersten Signalleitung (64); und

Anordnen eines zweiten Isolators (52) zwischen dem zweiten Abschirmungsgitter (40) und der ersten Signalleitung (64).

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei:

die erste Ebene auf einer Seite der Signalleitung (64) gelegen ist und die erste Musterkonfiguration eine Vielzahl von Schnittpunkten von leitenden Elementen (22, 24) aufweist;

die zweite Ebene auf der gegenüberliegenden Seite der Signalleitung (64) gelegen ist und parallel zu der ersten Ebene ist, wobei das zweite Abschirmungsgitter (40) eine Vielzahl von Schnittpunkten (30) von leitenden Elementen (42, 44) aufweist und das zweite Abschirmungsgitter (40) mit dem ersten Gitter (20) ausgerichtet ist, so daß Schnittpunkte von leitenden Elementen (42, 44) des zweiten Gitters (40) einen gewählten Versatz von den Schnittpunkten der leitenden Elemente (22, 24) des ersten Gitters (20) haben; und

die Signalleitung (64) parallel zu Linien ausgerichtet ist, die Schnittpunkte von leitenden Elementen (22, 24/42, 44) des ersten und des zweiten Gitters (20, 40) verbinden.

16. Leiterplatte (10) mit:

einem Abschirmungsgitter (20) in einer ersten Ebene, das eine Konfiguration mit leitenden Elementen (22, 24) hat, die untereinander in einem geometrischen Muster verbunden sind, welches eine Vielzahl von Öffnungen in regelmäßigen Abständen bildet;

einer ersten Signalleitung (64), die in einer zweiten Ebene im wesentlichen parallel zu der ersten Ebene angeordnet ist;

einer zweiten Signalleitung (62), die in der zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die zweite Signalleitung (62) von der ersten Signalleitung (64) um einen Versatz entfernt ist und dieser Versatz im wesentlichen gleich einem ganzzahligem Vielfachen der halben Distanz der größten Dimension (D) der Öffnungen ist, so daß die erste Signalleitung (64) und die zweite Signalleitung (62) im wesentlichen die gleiche Impedanz haben; und

einem ersten Isolator (50), der zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene angeordnet ist.

17. Leiterplatte (10) nach Anspruch 16, wobei die erste Signalleitung (64) und die zweite Signalleitung (62) über Scheiteln (30) dieses Gitters liegen und diese Scheitel zwischen den Öffnungen gelegen sind.

18. Leiterplatte (10) nach Anspruch 16, wobei das geometrische Muster ein Rechteck ist.

19. Leiterplatte (10) nach Anspruch 16, wobei:

das Gitter (20) eine erste Vielzahl von in einer ersten Richtung orientierten leitenden Elementen (22) und eine zweite Vielzahl von in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung orientierten leitenden Elementen (24) aufweist, so daß die erste Vielzahl von leitenden Elementen (22) und die zweite Vielzahl von leitenden Elementen (24) eine Vielzahl von Rechtecken bilden, wobei diese Rechtecke Scheitel (30) haben, die jeweils dem Schnittpunkt (30) der ersten und der zweiten Vielzahl der leitenden Elemente (22, 24) entsprechen und wobei diese Scheitel (30) voneinander eine diagonale Distanz (D) längs diagonaler Richtungen mit 45º zu der ersten und zweiten Richtung haben;

eine erste Vielzahl von Signalleitungen (120), die gegenüber dem Gitter (20) angeordnet und in einer Rich tung im wesentlichen parallel zu einer der diagonalen Richtungen orientiert sind; und

eine zweite Vielzahl von Signalleitungen (130), die nahe dem Gitter (20) angeordnet und in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der ersten Vielzahl der Signalleitungen (120) orientiert sind.

20. Leiterplatte (10) nach Anspruch 19, wobei die erste Vielzahl von Signalleitungen (120) so orientiert ist, daß sie nahe den Scheiteln (30) der Rechtecke vorbeilaufen.

21. Leiterplatte (10) nach Anspruch 16, wobei die größte Dimension (D) der Öffnung kleiner als eine halbe Wellenlänge der höchsten Frequenz eines Signales ist, das über die erste Signalleitung (64) geleitet wird.

22. Leiterplatte (10) nach Anspruch 21, wobei die größte Dimension (D) der Öffnung kleiner als ein Zwanzigstel der Wellenlänge der höchsten Frequenz eines Signales ist, das über die erste Signalleitung (64) geleitet wird.

23. Leiterplatte (10) nach Anspruch 16, wobei die Öffnung durch vier Scheitel begrenzt ist und die größte Dimension (D) zwischen zwei dieser Scheitel (30, 32) besteht, die einander gegenüberliegen.

24. Leiterplatte (10) nach Anspruch 23, wobei diese Leiterplatte (10) ferner eine dritte Signalleitung (60) nahe dem Gitter (20) aufweist, die der ersten Signalleitung (64) gegenüberliegt, wobei diese dritte Signalleitung (60) vorab an einer gewählten Position im Hinblick zu der ersten Signalleitung (64) angeordnet ist.

25. Leiterplatte (10) nach Anspruch 24, wobei die dritte Signalleitung im wesentlichen parallel zu der ersten Signalleitung ist.

26. Leiterplatte (10) nach Anspruch 24, die ferner eine vierte Signalleitung im wesentlichen parallel zu der dritten Signalleitung aufweist, wobei die vierte Signalleitung gegenüber der dritten Signalleitung um ein ganzzahliges Vielfaches der halben Distanz der größten Dimension der Öffnung des Gitters versetzt ist.

27. Verfahren zum Erhöhen der Impedanz auf einer Leiterplatte (10) mit elektrischen Signalleitungen (60, 62, 64), mit folgenden Schritten:

Anordnen eines einzelnen Abschirmungsgitters (20), das ein Muster aus leitenden Elementen (22, 24) aufweist, die in einem geometrischen Muster miteinander verbunden sind, welches eine Vielzahl von regulär angeordneten Öffnungen parallel zu den Signalleitungen (60, 62, 64) bildet;

Anordnen eines Isolators (50) zwischen dem Gitter (20) und den Signalleitungen (60, 62, 64); und Ausrichten der Signalleitungen (60, 62, 64) längs Linien parallel zu Linien, die die Schnittpunkte (30) der leitenden Elemente (22, 24) des Gitters (20) verbinden, wobei jede Signalleitung (60, 62, 64) gegenüber einer benachbarten Signalleitung (60, 62, 64) versetzt ist und dieser Versatz im wesentlichen gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Distanz der größten Dimension (D) der Öffnungen ist, so daß jede der Signalleitungen (60, 62, 64) im wesentlichen die gleiche Impedanz hat.