DE1591199B1 - Schaltungsanordnung fuer elektronische Schaltungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Vereinigung elektronischer Schaltungselemente und im einzelnen eine Schaltungsanordnung für elektronische Schaltungen mit elektronischen Halbleiter-Schaltungselementen, die in Öffnungen einer Schaltungsträgerplatte eingebettet sind, welch letztere zu diesen Halbleiter-Schaltungselementen führende Anschlußpfade enthält.

Im Datenverarbeitungswesen wird bekanntlich großer Wert auf die Arbeitsgeschwindigkeit einer Maschine gelegt. Dieser Faktor bestimmt den erzielbaren Arbeitsausstoß der betreffenden Rechenmaschine in einer bestimmten Zeit und dient als Maß für die Leistungsfähigkeit der Maschine im Vergleich zu Konkurrenzfabrikaten. Demgemäß werden große Anstrengungen gemacht, um die Arbeitsgeschwindigkeit von Datenverarbeitungsmaschinen fortwährend zu verbessern.

Unter Anwendung der neusten Erkenntnisse der Schaltungstechnik ist es nunmehr möglich, Maschinen zu entwerfen, zu konstruieren und zu bauen, bei welchen die Signalverzögerung zwischen den einzelnen logischen Schritten in der Größenordnung von Nanosekunden (10~⁹ Sekunden) liegt. Eine wesentliche Voraussetzung für diese Entwicklung wurde durch die integrierten Schaltungen in Form von Einkristall-Einkörperelementen geschaffen. Die außerordentlich geringen Abmessungen dieser einzelnen integrierten Schaltungselemente in Scheibenform sowohl als Ganzes als auch hinsichtlich ihres inneren Aufbaues setzt die Signalverzögerungszeit bezüglich des Weges zwischen den einzelnen Schaltungselementen der betreffenden Kristallscheibchen herab und macht die genannte Schaltungstechnik mit Nanosekundenverzögerung der einzelnen logischen Schritte überhaupt erst möglich.

Trotzdem sind zur Herstellung von Datenverarbeitungseinrichtungen, bei welchen die Verzögerungen der einzelnen logischen Schritte im unteren Nanosekundenbereich liegen (beispielsweise 2 Nano-Sekunden) sollen, mehr als nur integrierte Schaltungen in Form von Einköper-Einkristallelementen notwendig. Es müssen vielmehr Schaltungsanordnungen gefunden werden, innerhalb welcher eine Vielzahl einzelner Schaltungskörper vereinigt sind und in welchen außerdem große Wärmemengen umgesetzt werden können. Ferner muß in derartigen Schaltungsanordnungen eine ausreichende Anzahl innerer Verbindungen zur Verfügung stehen, so daß die Zahl der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse niedrig gehalten werden kann. Weiter sollen bei derartigen Schaltungsanordnungen die Signalverzögerung zwischen den einzelnen, die integrierten Schaltungen enthaltenden Körpern möglichst klein sein, und schließlich sollen Störeinflüsse, welche von einem Schaltungselement ausgehen, an der Ausbreitung in andere Schaltungen hinein gehindert werden.

Um eine Vorstellung von dem Ausmaß der Probleme zu geben, welche sich aus den obigen Forderungen ergeben, seien Zahlen angegeben, welche als Beispiel für die physikalischen Konstanten integrierter Schaltungen mit Verzögerungszeiten in der Größenordnung von 2 Nanosekunden dienen. Die Signalverzögerung, welche durch eine einzelne logische Schaltung bei einer Schrittverzögerung von 2 Nano-Sekunden erzeugt wird, darf 0,7 Nanosekunden nicht überschreiten. Die Verzögerung durch Aufladung darf ebenfalls 0,7 Nanosekunden nicht überschreiten, und die Verzögerung innerhalb der Schaltungsanordnung (d. h. diejenige Zeit, welche ein Signal zum Übergang von einer Schaltung nach der anderen Schaltung benötigt) darf nicht mehr als 0,6 Nanosekunden betragen. Die zuletzt genannte Forderung beschränkt die durchschnittliche Länge der Verbindungen zwischen in Serie geschalteten Schaltungselementen auf annähernd 5 bis 7,5 mm. In Maschinen, welche ungefähr 40 000 bis 100 000 solcher Schaltungen enthalten, beträgt daher die erforderliche Schaltungsdichte mindestens 16 Schaltungen je Quadratzentimeter.

Man erkennt die sich bei solchen Schaltungsdichten ergebenden Kühlprobleme, wenn man in Betracht zieht, daß in jeder Schaltungseinheit annähernd 100 Milliwatt Leistung umgesetzt werden. Bei einer Schaltungsdichte von annähernd 16 Schaltungseinheiten je Quadratzentimeter beträgt daher die Leistungsdichte ungefähr 1,6 Watt je Quadratzentimeter. Dies ist eine höhere Leistungsdichte je Flächeneinheit, als sie beispielsweise bei normalen, im Haushalt verwendeten Toastern festzustellen ist. Die Dichte der Verdrahtung ist in derartigen Schaltungsanordnungen außerordentlich hoch, und die Abstände zwischen den einzelnen Leitern werden in Tausendsteln von Millimetern gemessen, ebenso die Abmessungen der Leiter selbst. Bei derart geringen Querschnitten sind Leitermaterialien von etxrem niedrigem elektrischem Widerstand und für gedruckte Schaltungen typische Werkstoffe von außerordentlich guter Formstabilität erforderlich. Die Signalanstiegzeiten nehmen bei derartigen Anordnungen nur Bruchteile von Nanosekunden in Anspruch, weshalb diese Signale als Ultrahochfrequenz zu behandeln sind. Demzufolge müssen alle Leiteranordnungen in derartigen Systemen als Übertragungsleitungen behandelt werden, wobei die Werte der dielektrischen Räume zwischen geerdeten Ebenen und Ebenen mit Leiteranordnungen genau festliegen müssen, damit definierte Impedanzen erhalten werden. Ferner muß darauf geachtet werden, daß Nebensprecherscheinungen zwischen den Leitern vermieden werden. Der Werkstoff der verwendeten Dielektrika muß zusätzlich zu den erforderlichen Isolationseigenschaften außerdem eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante aufweisen, damit sich eine größte Signal-Ausbreitungsgeschwindigkeit ergibt. In den Leistungsverteilungsschaltungen muß dafür Sorge getragen werden, daß Leistungsstörungen, welche von einer Schaltung her in das Versorgungssystem einwandern, nicht auch die Wirkungsweise benachbarter Schaltungen beeinflussen. Aus diesem Grunde ist eine Entkopplung notwendig, welche im allgemeinen die Form von großen Parallelkapazitäten hat. Derartige Einrichtungen beanspruchen viel Platz und können nur unter Schwierigkeiten in Verbindung mit integrierten Schaltungen vorgesehen werden.

Bei gegenwärtig bekannten Schaltungsanordnungen mit integrierten elektronischen Einkörper-Schaltungselementen findet jeweils je Schaltungsanordnung auch jeweils nur ein einziger Schaltungs-Kristallkörper Anwendung. Diese bekannte Art von Schaltungsanordnungen macht in den meisten Fällen die sich theoretisch aus der Verwendung von Einkörper-Schaltungselementen ergebenden Raumeinsparungen zunichte.
Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 698 910

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ist eine Schaltungsanordnung für elektronische Schal- erreicht, daß in bestimmtem Abstand von der Schaltungen mit elektronischen Halbleiter-Schaltungs- tungsträgerplatte eine weitere, ebenfalls Anschlußelementen bekannt, die in Öffnungen einer Schal- pfade für die genannten Halbleiter-Schaltungstungsträgerplatte eingebettet sind, welch letztere zu elemente enthaltende Schaltungsträgerplatte angediesen Halbleiter-Schaltungselementen führende An- 5 ordnet ist und daß sich an der von dieser letztgeschlußpfade enthält. Diese bekannte Schaltungs- nannten Schaltungsträgerplatte abgewandten Seite anordnung weist keine spezielle Kühleinrichtung für der erstgenannten Schaltungsträgerplatte eine Kühldie Halbleiter-Schaltungselemente auf, weshalb diese einrichtung befindet.

Schaltungsanordnung für Schaltkreise hoher Arbeits- Im folgenden seien die Schaltungsträgerplatten der geschwindigkeit nicht geignet ist, da der verhältnis- io Einfachheit halber als Schaltungsplatten bezeichnet, mäßig langsame Abfluß der Verlustwärme nur eine während die mit diesen zusammenwirkenden, monogeringe Dichte von Schaltungselementen zuläßt. litischen Schaltungselemente als Schaltungsscheiben

Aus der deutschen Auslegeschrift 1139 894 ist bezeichnet seien.

eine Schaltungsanordnung mit zwei getrennten, voll- Durch Anwendung von zwei getrennten Schalständig verdrahteten Schaltungsträgerplatten bekannt, 15 tungsplatten der oben kurz beschriebenen Art ist es die in bestimmtem Abstand voneinander gelegen sind, möglich, jeweils eine der beiden Platten als Verdoch dienen diese Schaltungsträgerplatten nur zur teilungssystem für die Speisespannungen zu verHerstellung der Verbindung zu jeweils gesonderten wenden, wobei gleichzeitig die Entkopplung an Gruppen von Schaltungselementen, deren Kühlung dieser Platte angeordnet ist, während die jeweils ausschließlich durch Konvektion erfolgt. Die für 20 andere Schaltungsplatte als Signalverteilungssystem Datenverarbeitungsschaltkreise hoher Arbeitsge- dient und eine Isolationsschicht aus einem Werkschwindigkeit erforderliche dichte Packung der stoff niedriger Dielektrizitätskonstante aufweist.
Schaltungselemente und ein wirksamer Abfluß der Im folgenden wird die Erfindung durch die BeVerlustleistung läßt sich mit dieser bekannten Schreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Schaltungsanordnung nicht erzielen. 25 Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise er-

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 778 242 läutert. In den Zeichnungen stellt dar

ist es ferner bekannt, von Schaltungselementen, die F i g. 1A eine perspektivische Ansicht einer er-

auf einer Schaltungsträgerplatte angeordnet sind, findungsgemäßen Schaltungsanordnung, deren oberer

mittel besonderer Kühleinrichtungen die Verlust- Teil nach oben geklappt ist, so daß die Unterseite

wärme abzuführen. Die dort beschriebenen Kühlein- 30 sichtbar ist,

richtungen lassen es jedoch nicht zu, zum Zwecke F i g. 1B eine perspektivische Ansicht einer erder Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit ent- findungsgemäßen Schaltungsanordnung in vollsprechender Schaltungsanordnungen für elektronische ständig zusammengebautem Zustand,
Schaltungen die Halbleiter-Schaltungselemente eng F i g. 2 eine Schnittdarstellung durch die vollzusammenzurücken, so daß sich eine entsprechende 35 ständig zusammengebaute Schaltungsanordnung gehöhere Dichte der Anschlußpfade zu den Halbleiter- maß F i g. 1B und
Schaltungselementen ergibt. F i g. 3 eine perspektivische Ansicht einer Gruppe

Schließlich sind aus der USA.-Patentschrift von Schaltungsanordnungen gemäß der Erfindung 3 157 828 Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen mit zugehöriger Kühlvorrichtung,
zwischen Schaltungsträgerplatten, welche jeweils An- 40 Aus F i g. 1A ist ersichtlich, daß die erfindungsschlußleitungen enthalten, mit diesen Anschluß- gemäße Schaltungsanordnung 10 zwei Teile aufleitungen in Verbindung stehende elektronische weist, nämlich den zur Halterung der einzelnen Schaltungselemente angeordnet sind, von denen die Schaltungsscheiben und zur Verteilung der Leistung Verlustwärme durch Wärmeableitungseinrichtungen dienenden Teil 12 und den die Verbindungsleitungen weggeführt wird. Auch diese bekannten Schaltungs- 45 und die Anschlußstifte tragenden Teil 14. Der Teil anordnungen gestatten jedoch nicht den Aufbau von 12 ist zur besseren Darstellung des inneren AufSchaltungen mit hoher Dichte der Schaltungs- baues der Schaltungsanordnung nach der Erfindung elemente, weil bei dieser bekannten Anordnung der abgenommen und nach oben geklappt. Der zur Abstand der Schaltungsträgerplatten durch die Ab- Halterung der einzelnen Schaltungsscheiben und zur messungen der dazwischenliegenden Schaltungs- 50 Verteilung der Leistung dienende Teil 12 besteht elemente vorgegeben ist und die Abführung der Ver- seinerseits wieder aus zwei Hauptteilen, nämlich einer lustwärme durch die Schaltungsträgerplatten hin- metallischen Kühlungsplatte 16 und einer mit Öffdurch Schwierigkeiten bereiten. nungen versehenen, aus mehreren Schichten aufge-

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst wer- bauten Schaltungsplatte 18. Die Kühlplatte 16 ist mit

den, bei Schaltungsanordnungen für elektronische 55 einer Anzahl von Vorsprüngen 20 versehen, von

Schaltungen mit elektronischen Halbleiter-Schal- denen jeder eine integrierte Schaltung in Form eines

tungselementen gleichzeitig mit der erforderlichen Einkörper-Scheibenelementes 22, 24 usw. trägt (die

hohen Dichte der Schaltungselemente und der zu- Bereiche weiterer Schaltungsscheiben sind in der

gehörigen Verbindungen eine gute Abführung der Zeichnung bei 26 und bei 28 usw. nur durch strich-

Verlustwärme zu erreichen. 60 punktierte Linien angedeutet). Während in der Zeich-

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet nung neun jeweils einer Schaltungsscheibe zuge-

die Erfindung eine Schaltungsanordnung für elek- ordnete Bereiche dargestellt sind, versteht es sich

ironische Schaltungen mit elektronischen Halbleiter- von selbst, daß die Größe der erfindungsgemäßen

Schaltungselementen, die in öffnungen einer Schal- Schaltungsanordnung 10 auch für eine größere oder

tungsträgerplatte eingebettet sind, welch letztere zu 65 kleinere Anzahl einzelner Schaltungsscheiben pas-

diesen Halbleiter-Schaltungselementen führende An- send gewählt werden kann,

schlußpfade enthält. Die erwähnten Vorsprünge und die jeweils zuge-

Die Lösung der gestellten Aufgabe wird dadurch hörigen integrierten Schaltungskörper, beispiels-

weise die Scheibchen 22, finden jeweils in Öffnungen der jeweils aus mehreren Schichten gedruckter Schaltungen aufgebauten Schaltungsplatte 18 Aufnahme. Die obere Fläche des Einkörper-Schaltungselementes 22 liegt im wesentlichen in einer Ebene mit der oberen Fläche der als Kontaktplatte dienenden Schaltungsplatte 18. Auf der Oberfläche dieser Kontaktplatte 18 ist eine Anzahl von Kontaktbuchsen 30, 32, 34 usw. angeordnet, welche jeweils über Verzeichnungen dargestellt. Die Kühlplatte 16 weist einen vorspringenden Bereich 60 auf, welcher in F i g. 1A nicht abgebildet ist und welcher das Einsetzen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 5 in eine Kühlvorrichtung ermöglicht, welche später im Zusammenhang mit F i g. 3 der Zeichnungen näher erläutert wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. IA und 2 der Zeichnungen werden nun die einzelnen Teile der

bindungsleitungen 36 mit der Oberfläche des Ein- io erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sowohl hinkörper-Schaltungselementes 22 in Verbindung stehen. sichtlich des Aufbaues als auch hinsichtlich der Die Kontaktbuchsen und die ihnen jeweils zugeord- Wirkungsweise mehr im einzelnen beschrieben. Die neten Verbindungsleitungen bilden den Anschluß zu Kühlplatte 16 ist vorzugsweise aus einem Werkstoff den verschiedenen Signalleitungen und Schaltorganen hergestellt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffides Scheibchens 22. Eine Anzahl jeweils kürzerer Ver- 15 zient im wesentlichen demjenigen des Werkstoffes bindungsleitungen 38 bildet Leitungsanschlüsse zwi- gleich ist, aus welchem die die integrierte Schaltung sehen der Schaltungsplatte 18 und dem Scheibchen enthaltenden Einkörper-Schaltungselemente 22 be-22. Ferner sind jeweils längs der Kanten der Schal- stehen, so daß der Wärme-Ausdehnungskoeffizient tungsplatte 18 ebenfalls Kontaktbuchsen 40 vorge- also beispielsweise demjenigen von Silizium entsehen, über welche zwischen den Teilen 12 und 14 20 spricht. Außerdem muß die Kühlplatte aus einem der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung Lei- Werkstoff bestehen, welcher eine gute thermische stung übertragen wird. Leitfähigkeit besitzt, so daß ein ausreichender Wärme-

Der untere Teil 14 der Schaltungsanordnung 10 übergang von dem Schaltungskörper 22 weg stattenthält die Signalleitungsverbindungen zwischen den finden kann. Ein Metall, beispielsweise Molybdän, verschiedenen Einkörper-Schaltungselementen 22, 24 25 erfüllt die beiden soeben genannten Forderungen,
usw. Der Teil 14 besteht seinerseits im wesentlichen Das Scheibchen 22 ist mit dem Rücken nach unten

aus drei Hauptteilen, nämlich einer aus vielen Schich- an dem Ansatz 20 befestigt. Durch diese Anordnung ten aufgebauten Schaltungsplatte 42, einer Stütz- wird ein maximaler Wärmeübergang von dem Schalplatte 44 und einer Vielzahl von Anschlußstiften 46. tungselement 22 über den Ansatz 20 und die Kühl-Auf der nach oben weisenden Fläche der aus vielen 30 platte 16 zu dem Bereich 60 der Kühlplatte hin erSchichten aufgebauten Schaltungsplatte 42 ist eine zielt. Die Verbindung zwischen dem Ansatz 20 und Anzahl von Kontaktstiften 48 zur Weiterleitung von der Schaltungsscheibe 22 kann auf verschiedene Signalen, und von Kontaktstiften 50 zur Weiter- Weise nach bekannten Techniken gebildet sein. Vorleitung von Energie angeordnet. Jeder dieser Kon- zugsweise jedoch ein Verfahren angewendet, bei taktstifte wirkt mit einer entsprechenden Kontakt- 35 welchem zunächst eine dünne Goldschicht auf der buchse zusammen, wenn der Teil 12 der erfindungs- Rückseite der Schaltungsscheibe 22 abgelagert wird, gemäßen Schaltanordnung auf den Teil 14 aufgesetzt Hierauf werden die vergoldete Rückseite des Scheibist und beide Teile zusammengesetzt sind. Die Höhe chens 22 und der Ansatz 20 aneinandergelegt und die der Signal-Kontaktstifte 48 und der Leistungs-Kon- Anordnung erhitzt, so daß eine Silizium-Gold-Letaktstifte 50 ist so gewählt, daß der Teil 12 einen be- 40 gierungsverbindung zwischen der Scheibe und dem stimmten Abstand von dem Teil 14 hat, so daß die Ansatz 20 zustande kommt. Diese Art einer Verbeiden Teile nicht aneinander anliegen und folglich bindung gewährleistet einen guten Wärmeübergang eine gegenseitige Beeinflussung zwischen dem Lei- und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften,
stungsverteilungssystem und dem Signalverteilungs- Sollen die Kühlplatte 16 und der Ansatz 20 von

system vermieden wird. Jeder der Kontaktstifte 48 45 der Kühleinrichtung elektrisch isoliert werden, so und 50 ist über eine Bohrung oder eine andere Ver- wird eine in den Zeichnungen nicht dargestellte, bindung mit einem bestimmten Teil im Inneren der thermisch leitende, elektrisch jedoch isolierende Schaltungsplatte 42 verbunden. Die Schaltungsplatte Schicht zwischen der Haupt-Kühlplatte 16 und dem 42 weist zwei Schichten 52 und 54 auf, welche je- nach oben weisenden Ansatzbereich 60 der Schalweils Verbindungsleitungen zur Weiterleitung von 50 tungsplatte angeordnet. Eine derartige Zwischen-Signalen enthalten, wobei die Leiter auf der Schicht schicht kann die Form einer dünnen Aluminiumoxyd-52 in X-Richtung und die Leiter auf der Schicht 54 scheibe haben, deren Oberflächen vorher metallisiert in Γ-Richtung verlaufen. (Selbstverständlich können worden sind und welche zwischen die beiden Teile noch weitere Schichten zur Weiterleitung von Si- der Kühlplatte eingesetzt und mit den genannten gnalen vorgesehen sein.) Zwischen den Leiter- 55 Teilen verbunden ist. Die Aluminiumoxydscheibe schichten 52 und 54 ist ein Abschirmungsbelag 56 wirkt sowohl als elektrische Isolation zwischen den vorgesehen und Verbindungen zwischen den ein- einzelnen Teilen der Kühlplatte als auch als gutes zelnen Schichten werden über durch Löcher geführte Wärmeübergangsmedium zwischen diesen Teilen.
Verbindungsleiter 58 hergestellt. Das Schaltungssystem zur Leistungsverteilung und

Die Stützplatte 44 verleiht der aus vielen Schichten 60 zur Entkopplung des Schaltungselementes 22 wird gedruckter Schaltungen zusammengesetzten Schal- durch die mit Öffnungen versehene Schaltungsplatte tungsplatte 42 mechanische Festigkeit und Steifig- 18 gebildet. Diese Schaltungsplatte 18 besteht ebenkeit und bildet gleichzeitig die Haltekonstruktion für falls aus mehreren Einzelschichten, und zwar einer die Kontaktstifte 46. Jeder dieser Stifte stellt jeweils Schicht aus keramischem Material 66 und mehreren eine Verbindung mit einem der Leiter der Schicht 65 metallisierten Schichten 68, 70 und 72. Die Schicht 54 her. aus keramischem Material 66 besteht vorzugsweise

Die vollständig zusammengebaute Schaltungs- aus einem Werkstoff hoher Dielektrizitätskonstante, anordnung nach der Erfindung ist in Fig. IB der beispielsweise also aus Bariumtitanat. Die metalli-

sierten Schichten 68 und 72 stellen die Leitungsanschlüsse zwischen den verschiedenen Schaltungselementen und den Anschlußbuchsen 40 her. Die Anschlußbuchsen 40 sind jeweils über leitende Durchführungen, ähnlich der bei 74 angedeuteten Durchführung jeweils mit einer der beiden Schichten 68 oder 72 verbunden. Jedes der Schaltungselemente, beispielsweise als das Scheibchen 22', ist über einen Leiter 38 mit der Speisespannung-Verteilungsschaltung verbunden, welcher jeweils einen Anschluß 76 des Scheibchens 22' mit einer Durchführung 78 verbindet, die ihrerseits jeweils wiederum mit der zur Leistungsverteilung dienenden Schicht 68 Verbindung hat.

Die metallisierte Schicht 70 ist in einer in den Zeichnungen nicht dargestellten Weise mit einer ein Vergleichspotential liefernden Spannungsquelle verbunden und bildet die Ausgangsebene für die zur Spannungsverteilung dienenden Schichten 68 und 72. Diese Anordnung bildet eine große Kapazität und gleichzeitig eine Entkopplungsschaltung für die zur Spannungsverteilung dienenden Schichten 68 und 72. Bewirkt beispeilsweise eines der einzelnen Schaltungselemente innerhalb der integrierten Schaltungskörper 22 eine Störung hinsichtlich des Spannungspegels an der metallisierten Schicht 72, so wird eine derartige Störung auf Grund der hohen Kapazität zwischen der metallisierten Schicht 72 und der Ausgangsebene 70 wirkungsvoll absorbiert.

Wie bereits erwähnt wurde, ist jedes der Scheibchen 22 mittels einer Vielzahl schaltbrückenartiger Leiter mit der aus vielen Schichten aufgebauten Schaltungsplatte 18 verbunden. Die Herstellung dieser Verbindungen kann auf verschiedene Weise geschehen, vorzugsweise wird jedoch ein bereits an anderer Stelle vorgeschlagenes Verfahren verwendet, gemäß welchem jeweils eine entsprechend eingeteilte Stützplatte mit einer Anzahl von Leiterstreifen verwendet wird. Die Stützplatte wird jeweils auf die Fläche eines integrierten Halbleiter-Schaltungselementes derart aufgelegt, daß sich die Leiterstreifen mit entsprechenden Anschlüssen des Schaltungselementes und mit den Anschlußbuchsen der betreffenden Schaltungsplatte decken. Hierauf wird ein Stanzkopf auf die Stützplatte abgesenkt, welcher die Verbindung zwischen dem Leiterstreifen und den entsprechenden Anschlüssen bzw. Anschlußbereichen herstellt. Danach wird die Stützplatte entfernt, so daß allein die Leiterstreifen zurückbleiben, welche mit den Kontaktflächen fest verbunden sind und den Zwischenraum zwischen den Schaltungsscheiben und der Schalungsplatte überbrücken.

Um kapazitive Verluste zwischen den Signalanschlüssen 30, 32 usw. und der darunterliegenden metallisierten Fläche 72 zu vermeiden, ist eine keramische Zwischenschicht 66' vorgesehen, welche zwischen den genannten Teilen gelegen ist und aus einem Material besteht, welches eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist. Hierfür kommt beispielsweise ein Erdalkaliporzellan des Aluminiumoxyds oder des Zirkoniums in Frage. Derartige Werkstoffe haben niedrige Dielektrizitätskonstanten und verhindern dadurch, daß ins Gewicht fallende Kapazitäten zwischen den einzelnen Anschlüssen und den darunterliegenden, metallisierten Bereichen zustande kommen.

Die Verbindungen zur Übertragung von Signalen zwischen den verschiedenen integrierten Schaltungen bzw. Einkörperelement-Schaltungsscheiben 23, 22' usw. werden durch die jeweils aus mehreren Schichten gedruckter Schaltungen aufgebaute Schaltungsplatte 42 gebildet. Der Werkstoff, welcher die Isolation zwischen den metallisierten Schichten der Schaltungsplatte 42 bildet, muß eine außerordentlich niedrige Dielektrizitätskonstante aufweisen, damit der Wert der längs der Signalleitungen verteilten Kapazitäten möglichst niedrig bleibt. Keramisches Material

ίο aus Erdalkaliporzellan hat eine Dielektrizitätskonstante von annähernd 5 und eignet sich demgemäß für diesen Zweck. Zwar haben organische Werkstoffe, beispielsweise das unter dem Warennamen »Teflon« bekannte Isolationsmaterial (Teflon ist ein Warenzeichen der Firma DuPont Corporation) eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante bis hinunter zu 2,2, doch sind keramische Werkstoffe hinsichtlich der rein mechanischen Toleranzen genauer als dies bei organischen Werkstoffen der Fall ist. Beispielsweise können auf Teflon-Kupfer-Karten durchgenietete Löcher nur im Abstand von 1,25 mm angeordnet werden, während in keramischen Werkstoffen Durchführungen mit einem Durchmesser von 0,1 mm mit einem Abstand der Mittelpunkte von 0,2 mm vorgesehen werden können. Demgemäß sind mit keramischen Materialien viel höhere Dichten der Schaltungsanordnungen zu erzielen und folglich ist auch die Verwendung keramischer Werkstoffe in derartigen Einrichtungen geboten.

Die metallisierte Schicht 52 ermöglicht die Herstellung von Verbindungen in der einen, mit X bezeichneten Koordinatenrichtung, während die metallisierte Schicht 54 Verbindungen in der Y-Richtung ergibt. Durchführungen der Art, wie sie bei 58 angedeutet sind, stellen Verbindungen zwischen den Verdrahtungen in X-Richtung und in Y-Richtung her, während ähnliche Durchführungen 84 die Verbindungen zwischen bestimmten Punkten der Verdrahtung und den äußeren Anschlußvorsprüngen 48 herstellen. Eine Erdungsschicht 56 trennt die zur Signalverteilung dienenden Leiterschichten 52 und 54 voneinander und legt die charakteristische Impedanz jeder der genannten metallisierten Schichten fest. Im besonderen wird die Dicke der Dielektrikumsschicht 80 ganz genau bestimmt, so daß sich eine gewünschte charakteristische Impedanz der metallisierten Schichten 52 und 54 ergibt und eine gegenseitige Beeinflussung der Signalleitungen untereinander vermieden wird.

Die Kontaktstifte 46 ragen durch die Stützplatte 44 hindurch und stehen über Durchführungen mit der metallisierten Schicht 54 in Verbindung, so daß die erforderlichen Leistungs- und Signalanschlüsse zu anderen Schaltungsanordnungen hergestellt werden können. Leistungsanschlüsse zu den Kontakten 50 sind beispielsweise in der bei 90 angedeuteten Weise über Durchführungen von der metallisierten Schicht 54 her zugeführt, welche ihrerseits mit einem der Kontaktstifte 46 in Verbindung steht (in der Zeichnung nicht sichtbar).

Wie sich aus der obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergibt, ermöglicht die Trennung der Leistungsverteilung und der Verbindungen zur Verteilung der Signale in jeweils gesonderten Schaltungsplatten einen unmittelbaren Einbau der Entkoppelungseinrichtung in dem Netzwerk zur Verteilung der Energie und gleichzeitig die Herstellung genau definierter Leitungsimpedanzen in

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ίο

dem Signalverteilungssystem. Dadurch, daß die einzelnen Schaltungsscheibchen im Inneren der Schaltungsplatten angeordnet sind und die Wärme in der einen Richtung abgeführt wird, während die Verbindungen zur Fortleitung der Signale auf der anderen Seite angeordnet sind, werden eine außerordentlich gute Raumausnutzung und eine hohe Schaltelementdichte erreicht. Darüber hinaus hält die einstückige Kühlungsplatte die Schaltungsscheibchen auf im wesentlichen gleicher Temperatur, was wesentlich für die Verwendung solcher Schaltungskomponenten ist. Betrachtet man nun F i g. 3 der Zeichnungen, so sieht man eine Anzahl von Schaltungsanordnungen 10 gemäß der Erfindung, welche in eine aus mehreren Schichten aufgebaute Schaltungsplatte 100 eingesteckt sind. Ein im oberen Teil der Zeichnung geschnitten dargestellter Kühlwasserverteiler 102 ist unmittelbar über die einzelnen Schaltungsanordnungen übergezogen und weist Öffnungen auf, in welchen die Kühlungsansätze 60 der Schaltungsanordnung Auf- zo nähme finden. Jeder dieser Ansätze 60 ist von einem Dichtungsring 104 umgeben, welcher einen flüssigkeitsdichten Abschluß mit dem Kühlwasserverteiler herstellt. Über den Einlaß 106 gelangt Kühlflüssigkeit zu der Einrichtung, strömt über die Oberseiten der Ansätze 60 hinweg und nimmt gleichzeitig die frei werdende Wärme über den Auslaß 108 mit sich fort.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für elektronische Schaltungen mit elektronischen Halbleiter-Schaltungselementen, die in Öffnungen einer Schaltungsträgerplatte eingebettet sind, welch letztere zu diesen Halbleiter-Schaltungselementen führende Anschlußpfade enthält, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Teilmerkmale:

a) In bestimmtem Abstand von der Schaltungsträgerplatte (18) ist eine weitere, ebenfalls Anschlußpfade für die genannten Halbleiter-Schaltungselemente (22) enthaltende Schaltungsträgerplatte (42) angeordnet, und

b) an der von dieser letztgenannten Schaltungsträgerplatte abgewandten Seite der erstgenannten Schaltungsträgerplatte befindet sich eine Kühleinrichtung (16, 20, 60).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Öffnungen versehene Schaltungsträgerplatte (18) eine Isolation (66>) aus einem Werkstoff hoher Dielektrizitätskonstante enthält und zur Verteilung der Speisespannungen dient.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Öffnungen versehene Schaltungsplatte (18) eine Vielzahl von jeweils Schaltungen halternde Schichten (68, 72) zur Leistungsverteilung sowie jeweils zwischen diesen Schichten angeordnete weitere Schichten (70) enthält, an welche Bezugspotentiale anlegbar sind, wobei die zur Leistungsverteilung dienenden Schichten aus Leitermaterial bestehen, welches auf der die hohe Dielektrizitätskonstante aufweisenden Isolation (66) angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schaltungsträgerplatte (42) eine Isolation aufweist, die aus einem Werkstoff niedriger Dielektrizitätskonstante besteht, und daß diese Schaltungsträgerplatte zur Verteilung von Signalspannungen dient.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schaltungsträgerplatte (42) eine Vielzahl von zur Signalverteilung dienenden Schaltungsschichten (52, 54) aufweist, zwischen denen jeweils an Bezugspotentiale aniegbare Schichten (56) angeordnet sind und welche jeweils aus Leitermaterial hoher Leitfähigkeit bestehen, das auf jeweils einer Trägerfläche aus Isolierwerkstoff niedriger Dielektrizitätskonstante angeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (16,60) Teile aus Werkstoff hoher Temperaturleitfähigkeit aufweist, welche gemeinsam mit allen Halbleiter-Schaltungselementen (22) in Verbindung stehen (20).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine hohe Temperaturleitfähigkeit aufweisenden Teile der Kühlvorrichtung die Form einer Platte (16) haben, welche eine Vielzahl von Vorsprüngen (20) aufweist, die jeweils in eine Öffnung der erstgenannten Schaltungsträgerplatte (18) hineinragen und jeweils eines der Halbleiter-Schaltungselemente (22) haltern.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Verbindungen (48,50) die beiden Schaltungsträgerplatten (18,42) in einem bestimmten Abstand voneinander haltern, so daß sie sich nicht berühren, und daß durch diese Verbindungen gleichzeitig elektrische Kontakte zwischen den beiden Schaltungsträgerplatten gebildet werden.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf derjenigen Seite der weiteren Schaltungsträgerplatte (42), weiche der mit Öffnungen versehenen Schaltungsträgerplatte (18) zugewandt ist, Verbindungselemente (48) zur Weitergabe von Signalen angeordnet sind.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf derjenigen Seite der mit Öffnungen versehenen Schaltungsträgerplatte (18), welche von der genannten weiteren Schaltungsträgerplatte (42) abgewandt ist, eine Schieht aus einem Isolierwerkstoff niedriger Dielektrizitätskonstante angeordnet ist, auf welcher ein Teil der genannten Verbindungen angeordnet ist, so daß die große Kapazität des zur Leistungsverteilung dienenden Systems von dem zur Signalverteilung dienenden System isoliert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen