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Gehäuseloses Schaltungsmodul und Verfahren zu seiner Herstellung.
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Die Erfindung betrifft eine Weiterentwicklung einer an sich unüblichen
Variante eines besonders kompakten elektrischen Schaltungsmoduls. Die Erfindung
wurde insbesondere für Kodierer-Dekodierer-Module eines digitalen Fernsprech-Vermittlungssystems
entwickelt, sie ist aber an sich darüberhinaus als Kleinbaugruppe in beliebigen
Systemen und Geräten anwendbar, insbesondere statt Dualin-line-Modulen mit Gehäuse.
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Die Erfindung geht nämlich aus von einem gehäuselosen Schaltungsmodul,
mit - einem Abschnitt eines gemäß der Kinofilmtechnik dimensionierten Kunststoffbandes
als Träger, der Leitungen zwischen Innenanschlüssen und Außenanschlüssen trägt,
wobei z.B. ein gemäß DIN 15 851, Teil 2, Form A perforiertes und in S-8-Bänder gesplittetes
Kunststoffband aus Polyimid verwendet wird, - einem, bevorzugt ausgestanzten, Fenster
im Träger, wobei die Innenanschlüsse am Fensterrand liegen, - einem integrierten
gehäuselosen Halbleiterschaltungskörper im Fenster, wobei die AnschlUsse des Halbleiterschaltungskörpers
mit den Innenanschlüssen verbunden sind, und - einer einzigen Anschlußkante des
Trägers, längs welcher die Außenanschlüsse liegen.
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Ein solches Schaltungsmodul ist bereits durch - Siemens, bauteile
report 16 (1978) Heft 2, S.40-44, insbesondere Fig. 6/unterste Version, bekannt,
wenngleich sich bisher eine etwas andere Version
solcher, im Prinzip
schon 1974 entwickelter Schaltungsmodule, deren Außenanschlüsse nämlich längs mehrerer
Außenkanten des Schaltungsmoduls angebracht sind, in der Praxis durchsetzte, vgl.
z.B.
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- VDI-nachr., 29. Aug. 1980, S. 5 links/oben, und - DE-PS 24 14 297.
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Dieses bekannte Schaltungsmodul hat, ebenso wie die Erfindung, bereits
den Vorteil, - eine kompakte Bauform darzustellen, die also eine besonders hohe
Packungsdichte gestattet, - die Länge der Leitungen unmittelbar auf dem Schaltungsmodul
bereits ziemlich kurz machen zu können, wodurch das Schaltungsmodul auch mit besonders
hohen Frequenzen betreibbar ist, - den auf dem Träger angebrachten integrierten
Halbleiterschaltungskörper nun auch unter normalen Umfeldverhältnissen dynamisch,
d.h. bei hohen Betriebsfrequenzen, zuverlässig prüfen zu können; der noch auf dem
Wafer liegende, noch nicht von seinen Nachbar-Halbleiterschaltungskörpern getrennte
Halbleiterschaltungskörper, ebenso wie der zwar bereits getrennte aber noch nicht
auf dem Träger angebrachte Halbleiterschaltungskörper, ist, wenn überhaupt, nur
mit Einschränkungen dynamisch, unter nicht-normalen Umfeldverhältnissen, prüfbar,
- bei Mangelt im integrierten Halbleiterschaltungskörper, die sich erst bei der,
bevorzugt dynamischen, Prüfung zeigen, -diesen Halbleiterschaltungskörper für sich
vom Träger wieder entfernen und leicht durch einen anderen Halbleiterschaltungskörper
ersetzen zu können, der nun (vielleicht) ein besseres dynamisches Verhalten hat,
wobei der derentfernte Halbleiterschaltungskörper, weil er selbst auch nämlich kein
Gehäuse hat, vor seinem Entfernen bzw. Wegwerfen besonders wenig Aufwand zu seiner
Herstellung erforderte, und
--- der schließlich angebrachte Halbleiterschaltungskörper
mangels eigenen Gehäuses besonders gut kühlbar ist und damit besonders wenig Eigenschaftsänderungen
durch wechselnde lokale Uberhitzungen aufweist, - auch den Träger des Schaltungsmoduls
leicht, insbesondere durch Schneiden Stanzen und Bohren, herstellen zu können -
ohne, z.B. wie bei Glasträgern oder Keramikträgern, Laser zum Bohren verwenden zu
müssen, - den Träger platzsparend und materialsparend auch sehr klein und dünn machen
zu können, weil er selbst, wenn er besonders dünn ist, im Vergleich zu Glasträgern
und Keramikträgern dann weitgehend bruchfest bleibt und damit insbesondere das Schaltungsmodul
und der Monteur bzw. Systembetreuer, bei der Anwendung Prüfung bzw. Montage des
Schaltungsmoduls, weniger gefährdet ist, - eine Verwendung von handelsüblichen optischen
und mechanischen Vorrichtungen für eine automatisierte Herstellung der Schaltungsmodule
mit sehr engen Toleranzen der Maße zu ermöglichen, ohne hierfür eigens Vorrichtungen
entwickeln zu müssen, wobei wegen der Verwendung perforierter Bänder der Bandvorschub
eine außerordentliche Exakth#eit aufweist, welche die Erzeugung von Fein- und Feinststrukturen
mittels Photomasken und Phototechnik ermöglicht, und - das Schaltungsmodul besonders
handlich, bzw. leicht an äußere Schaltungen anlöten bzw. anbonden,-und besonders
raumsparend vor seiner Verbindung mit äußeren Schaltungen stapeln bzw. lagern zu
können.
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Die Erfindung gestattet darüberhinaus zusätzliche Vorteile, nämlich
insbesondere - als besondere Variante eines Single-in-line-Moduls senkrecht in eine
Lochplatte gesteckt, und dort z.B.
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zusätzlich verlötet, werden zu können, wodurch
die
dieVorderseite ebenso wie die Rückseite des Trägers gut -belüftet und damit das
Schaltungsmodul bzw.
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seine Bauteile gut gekühlt werden können (was für einen zuverlässigen
Betrieb insbesondere der integrierten Halbleiterschaltungskörper, z.B. von gegen
Temperaturschwankungen recht empfindlichen Kodierer-Dekodierer-Chips, oft besonders
wichtig ist), also die Bauteile zusätzlich stärker mit Strom belasten zu können,
bevor Störungen des Betriebs eintreten, bei beiderart vergleichsweise dünnen Trägern
allgemein die Leitungen auf der Vorderseite des Trägers nicht nur von der Luft auf
der Vorderseite des Trägers, sondern auch durch den Träger hindurch auch besser
als bisher von der Luft auf der Rückseite des Trägers kühlen zu können, sowie in
entsprechender Weise Leitungen auf der Rückseite des Trägers auch besser als bisher
zusätzlich von der Luft auf der Vorderseite des Trägers kühlen zu können, und bei
beiBedarf sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite des Trägers einige
zusätzliche diskrete elektrische Bauteile - z.B., zur Glättung von Gleichspannungen,
Widerstände und Kondensatoren -mit anbringen zu können.
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Gegen die Anbringung von Metallstiften-an einer Trägerkante, um das
Schaltungsmodul unmittelbar gehäuselos mittels der Metallstifte in die Lochplatte
stecken zu können, bestanden zunächst noch rein gefühlsmäßig Hemmungen,alleine schon
wegen der Dünnheit bzw. Fragilität des mit dem Halbleiterschaltungskörpers verbundenen
Trägers. Diese Hemmungen erwiesen sich als unnötig. Im Gegenteil, U#tera#nng###ei##,
, daß die erfindungsgemäß aufgebauten, senkrecht steckbaren Schalt'#gsmodule überraschend
stabil und handlich sind.
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Ein mittels Metallstiften an nur einer Modulkante, senkrecht steckbares
Schaltungsmodul ist für sich bereits durch - DE-AS 1 912 260, insbesondere Fig.
1 in Verbindung mit Sp. 1, Z. 23 bis 59 bekannt. Dort sind allerdings nicht, jedenfalls
nicht ausdrücklich, die erfindungsgemäß vorhandenen integrierten Halbleiterschaltungen
angegeben. Soweit dort im Text Mikroschaltungen angegeben seind, machen die dortigen
Erläuterungen zu diesen Schaltungen eher#den Eindruck, als sei dort, anders als
bei der Erfindung, ausschließlich an die Bestückung mit diskreten, untereinander
höchstens über gedruckte ~Leitungen verbundenen elektrischen Bauteilen wie einzelnen
Kondensatoren, Widerständen, Transistoren und Dioden gedacht, vgl. Sp. 1, Z. 27
bis 31 und Sp. 4, Z. 20 bis 39. Bei der Erfindung ist aber eine hohe Packungsdichte
auf einem anderen, speziell dimensionierten Träger vorausgesetzt, was neben der
scheinbaren Fragilität zusätzlich entsprechend hohe Verlustleistungen und Erwärmungsprobleme
mit sich bingt.
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Dementsprechend wurden bei diesem Stand der Technik auch nicht alle
die,nun zusätzlich bei der Erfindung mittels der senkrechten Steckbarkeit erreichten,
Vorteile ausgenutzt bzw. überhaupt gewürdigt.
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Die zusätzlichen Vorteile der Erfindung werden dadurch ermöglicht,
daß - Metallstifte, die mit den Außenanschlüssen der Leitungen verbunden sind, so
an der Anschlußseite angebracht sind, daß die Achsen der Metallstifte senkrecht
weg von der Anschlußkante gerichtet sind und gleichzeitig in der, durch die Anschlußkante
und der dazu senkrechten Seite des Trägers gebildeten, Ebene liegen.
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In den Unteransprüchen sind Verfahrensschritte zum Herstellen dieses
Schaltungsmoduls angegeben, die für sich weitere Vorteile gestatten. Insbesondere
gestatten nämlich die Verfahrensschritte gemäß Patentanspruch 2, eine auch automatisierbare,
relativ einfache Herstellung zu ermöglichen, 3, eine bis zu einem gewissen Grade
elastische, damit thermisch belastbarere, Verbindung zwischen dem Träger und den
hier relativ dicken Leitungen zuzulassen, 4, Leitungen mit ausreichend massiven
freitragenden Innenanschlüssen, mit dene#n unmittelbar. die Anschlüsse des Halbleiterschaltungskörpers
(statt über zusätzliche Anschlußdrähte) verbindbar sind, zuzulassen, 5, ein hitzeloses,
auch automatisierbares Verbindungsverfahren für die Herstellung der Verbindungen
an den Anschlüssen zuzulassen und damit thermisch alle Teile des Schaltungsmoduls
besonders zu schonen, und 6, eine einfache, auch automatisierbare Herstellung der
Verbindungen an den Anschlüssen zuzulassen, selbst wenn die Dicke der Leitungen
bzw. ihrer Anschlüsse sehr gering ist.
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Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden anhand der in den Figuren
vergrößert schematisch gezeigten Ausführungsbeispiele weiter erläutert, wobei die
Figur 1 eine starke Vergrößerung eines auf Super-8-Filmformat hergestellten Schaltungsmoduls,
2 einen noch stärker vergrößerten Ausschnitt im Bereich eines Metallstift-Beispiels,
und 3 eine starke Vergrößerung eines, in Vergleich zu Figur 1, die doppelt so hohe
Kompaktheit aufweisenden Schaltungsmoduls, darstellen.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel eines gehäuselosen Schaltungsmoduls
stellt der Träger jeweils einen Abschnitt eines gemäß der Kinofilmtechnik dimensionierten
Kunststoffbandes K dar,wobei hier der Träger K bzw. das Kunststoffband K gemäß den
Deutschen Industrienormen DIN 15 851, Teil 3, also nach den Normen für Super-8-Filmformate,
dimensioniert ist. Das Kunststoffband K besteht z.B. in bewährter Weise aus Polyimid.
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Der Träger K trägt die Leitungen L zwischen Innenanschlüssen IA und
Außenanschlüssen AA. Im Träger K sind Fenster F, wobei die Innenanschlüsse IA am
Fensterrand F liegen, hier freitragend über diesen Fensterrand F etwas hinausragen.
Ein integrierter gehäuseloser Halbleiterschaltungskörper (Chip) H ist im Fenster
F angebracht, wobei die Anschlüsse AH des Halbleiterschaltungskörpers H mit den
Innenanschlüssen IA, z.B.
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durch Bonden oder Löten, verbunden sind.
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Die Außenanschlüsse AA der Leitungen liegen nur an einer einzigen
Anschlußkante A des Trägers K. Metall stifte M sind mit den Außenanschlüssen AA
der Leitungen L verbunden, z.B. durch Aufstecken des gabelförmigen Endes der Metallstifte
M und Verbonden oder Verlöten mit den Außenanschlüssen AA. Dieses gabelförmige Ende,
vgl.
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Fig. 2, hat eine obere, hier sichtbare Zinke VZ und eine untere ,gestrichelt
eingetragene Zinke HZ. Die Metallstifte M sind so an der Anschlußkante A angebracht,
daß die Achsen der Metallstifte M senkrecht weg von der Anschluß kante A gerichtet
sind und gleichzeitig in der, durch die Anschluß kante A und der dazu senkrechten
Seite des Trägers K gebildeten, Ebene liegen. Dadurch ist das Schaltungsmodul senkrecht
in eine Lochplatte steckbar, wobei das scheinbar so fragile Schaltungsmodul sich
als brauchbar und handlich erwies.
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Durch die senkrechte Steckbarkeit ist das Schaltungsmodul'
insbesondere
auch sein gehäuseloser Halbleiterschaltungskörper H, nun von beiden Seiten gut kühlbar,
selbst wenn eine Vielzahl solcher Schaltungsmodule dicht beieinander auf die Lochplatte
gesteckt sind. Entsprechend störungsarm ist dann auch der spätere Betrieb der ganzen
Anlage bzw. des ganzen Geräts, trotz der Vielzahl und Dichte, d.h. der Kompaktheit
der damit auf der Lochplatte untergebrachten Schaltungseinheiten. Dieser Gesichtspunkt
ist besonders wichtig bei einem PCM-Fernsprech-Vermittlungssystem, bei dem pro Fernsprechamt
oft viele Tausende Schaltungsmodule z.3. als Kodierer-Dekodierer-Einheiten und/oder
vollintegrierte 2-Draht-4-Draht-GaDelschaltungseinheiten nötig sind.
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Das erfindungsgemäße Schaltungsmodul ist an sich mittels verschiedener
Varianten von Herstellungsverfahren herstellbar, wobei es im allgemeinen stets günstig
ist, zumindest die folgende Reihenfolge von Verfahrensschritten einzuhalten, um
eine wenigstens weitgehend automatische Fertigung zu erreichen: a) Auf dem zunächst
mit den Fenstern F ausgestatteten sowie mit Perforationslöchern P ausgestatteten
Kunststoffband K werden zuerst die Leitungen L angebracht, wonach b) die Anschlüsse
AH der Halbleiterschaltungskörper H mit den Innenanschlüsseb IA verbunden, sowie
die Metallstifte M auf die Anschlußkante A gesteckt und mit den Außenanschlüssen
AA verbunden werden.
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Auf diese Weise entstand eine Kette von Schaltungsmodulen auf dem
Kunststoffband K. Daher wird anschließend# evtl. erst nach vielen Monaten Zwischenlagerung
der Filmrolle, c) das Kunststoffband K jeweils zwischen den einzelnen Schaltungsmodulen
bei T zerschnitten,
wodurch die einzelnen Schaltungsmodule erhalten
werden.
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Wie bereits in der DE-PS 24 14 297 beschrieben ist, ist es oft vorteilhat,
den Verfahrensschritt a) in folgender Reihe von Unterschritten -durchzuführen: a1)
Auf das Kunststoffband K wird ein Kleber, z.B. ein Epoxidharzkleber, aufkaschiert,
der später im Betrieb insbesondere die thermischen Eigenschaften des Schaltungsmoduls
verbessert; a2) Aus dem Kunststoffband K werden die Fenster F ausgestanzt, in denen
später die Halbleiterschaltungskörper H angebracht werden; a3) Auf die eine Seite
des Kunststoffbandes K, bzw. auf den dortigen Epoxidharzkleber, wird eine Kupferfolie
angebracht, aus der später insbesondere die Leitungen L gebildet werden; a4) Auf
die Kupferfolie wird eine Fotolackschicht aufgebracht und anschließend a5) in dieser
Fotolackschicht mittels Fotomasken die den Leitungen L, den Innenanschlüssen IA
und den Außenanschlüssen AA entsprechenden Öffnungen in für sich bekannter Weise
erzeugt; a6) Auf den nun offen liegenden Kupferfolienteilen wird eine Schutzschicht,
z.B. galvanisch abgeschiedenes Zinn, angebracht, welche die darunter liegenden Kupferfolienteile
schützt, wenn a7) der restliche Photolack auf der Kupferseite entfernt wird und
a8) die restlichen, muntfotoschichtfreien und damit schutzschichtfreien Kupferfolienteile
weggeätzt werden.
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Während des Unterschrittes a4) kann auch auf die von der Kupferfolie
abgewandte Kunststoffbandseite eine weitere Schutzschicht, z.B. eine weitere Fotolackschicht,
aufgebracht werden, sowie nach dem Unterschritt a8) in einem weiteren Unterschritt
a9) die weitere Schutzschicht
wieder entfernt werden. Diese Maßnahmen
erleichtern die Herstellung freitragender, in das Fenster F frei hineinragender
Kupferfinger IA, die als Innenanschlüsse dienen können.i1Der Verfahrenschritt b)
kann zur Herstellung der Verbindungen folgende Unterschritte enthalten: b1) Die
Anschlüsse AH des Halbleiterschaltungskörpers H werden auf die Innenanschlüssen
IA gedrückt und verbondet; und b2) die Metallstifte M werden nach ihrem Aufstekcen
auf den Träger K in ähnlicher Weise mit den Außenanschlüssen AA verbondet.
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Der Verfahrensschritt b) kann statt dessen aber z.B.
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auch folgende Unterschritte enthalten: b3) Die Anschlüsse AH des Halbleiterschaltungskörpers
H bzw. die Innenanschlüsse IA werden mit Lötpaste bedeckt, und nachher oder vorher
oder gleichzeitig werden b4) die Metallstifte M außenanschlußseitig mit Lötpaste
bedeckt, bzw. die Außenanschlüsse AA selbst werden mit Lötpaste bedeckt; Nach den'Unterschritten
und und bzwwerden in einem Unterschritt b5> dieVerbindungen zwischen den Metallstiften
M und den Außenanschlüssen AA, sowie zwischen den Innenanschlüssen IA und den Halbleiterschaltungskörper-Anschlüssen
AH durch Erhitzen gleichzeitig hergestellt.
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Die Formate der einzelnen Schaltungsmodule können weitgehend beliebig
gewählt werden. Die Anschlußkante A kann z.B. gleich lang oder sogar kürzer als
die genormte Breite (z.B. 16 mm) des Kunststoffbandes K sein, wodurch eine besonders
hohe Packungsdichte erreicht werden kann.
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Statt dessen kann man aber auch die Anschlußkante A erheblich länger
als die Breite des Kunststoffbandes K wählen; man kann dann insbesondere auch auf
der Rückseite des Kunststoffbandes K, statt nur auf der Vorderseite,Leitungen L
anbringen; man kann auch zusätzliche diskrete elektrische Bauteile neben dem integrierten
Halbleiterschaltungskörper H anbringen und/oder auch mehrere solche integrierte
Halbleiterschaltungskörper H pro einzelnes Schaltungsmodul. - Solche Dimensionierungs-,
bzw. Herstellungsverfahrens-Variaten senkrecht steckbarer gehäuseloser Single-in-line-Schaltungsmodule
und deren jeweilige speziellen zusätzlichen Vorteile sind für sich bereits in den
nicht vorveröffentlichten DE-OS .. .. ... und .. .. ...(= 80 E 6051a DE und 80 E
6051 b DE) mit gleichem Prioritätstag wie die vorliegende Anmeldung/das vorliegende
Patent beschrieben. Solche Varianten der Erfindung stellen also gleichzeitig Weiterbildungen
der in jenen beiden DE-OS beschriebenen Gegenstände dar.
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6 Patentansprüche 3 Figuren