DE2212735A1 - Signal-UEbertragungsleitung in Streifenleiterbauweise - Google Patents
Signal-UEbertragungsleitung in StreifenleiterbauweiseInfo
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Description
IBM Deutschland
Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH *
Böblingen, den 13. März 1972 ar-nr
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N. Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen d. Anmelderin: Docket EN 970 006
Diese Erfindung betrifft eine Übertragungsleitung mit
vorbestimmten! Wellenwiderstand für hochfrequente Signale, die wenigstens einen streifenförmigen Signalleiter enthält,
der in einer plattenförmigen Isolierschichtstruktur, die eine bestimmte Dielektrizitätskonstante aufweist, sich
parallel in vorbestimmten Abständen zu deren Oberflächen erstreckt, die beide mit einem als Masse dienenden elektrisch
leitenden metallischen Belag versehen sind, insbesondere in miniaturisierter Bauweise.
Der Zweck dieser Erfindung ist eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der elektrischen Charakteristik
von Übertragungsleitungen, insbesondere von solchen,- die
in den Schaltkreisen von Computern oder Steuerungsanlagen
Verwendung finden. Durch die neue übertragungsleitungsstruktur
soll letztlich eine größere elektronische Datenverarbeitungsgeschwindigkeit erzielt werden, indem sich
die Signallaufzeiten zwischen den Schaltkreisen verkürzen.
In Hochleistungs-Computersystemen ist zur Erzielung der
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hohen elektrischen Datenverarbeitungsgeschwindigkeit erforderlich,
daß die übertragungsleitungen zwischen den Schaltkreisen
eine minimale Verzögerung für die zu übertragenden Signale, sowie einen angepaßten Wellenwiderstand aufweisen, um eine
sehr schnelle und möglichst unverzerrte Signalübertragung zu bekommen. Die derzeit in diesen Computern gebräuchlichen integrierten
Schaltungsanordnungen ermöglichen ultrahohe Schaltgeschwindigkeiten und äußerst kurze Verzögerungen der Signalübertragung,
die beide etwa im Bereich von einer Nanosekunde oder noch weniger liegen. Diese extrem niedrigen Geschwindigkeiten
der integrierten Schaltkreise kommen in einem System nicht voll zur Wirkung, bei dem die Signalverzögerung durch
die Übertragungsleitungen, welche die Schaltkreise miteinander verbinden, dominiert. Bei den bisher allgemein gebräuchlichen
Übertragungsverbindungen, bei denen die Signal- und Masseleiter
auf Epoxydglasschichten angeordnet sind, beträgt die Signallaufzeit bzw. die Verzögerung bei einer 15O mm langen Verbindungsstrecke
ca. eine Nanosekunde.
Zur Verkürzung dieser Laufzeiten bzw. der Signalübertragungsverzögerungen
verkürzt man die Übertragungsleitungen in den Schaltungsanordnungen bekannterweise soweit, daß sich Strukturen
ergeben, die eine hohe Dichte von Zwischenverbindungen aufweisen. Diese Mikro-Strukturen haben außer dem Vorzug der
kürzeren Signallaufzeiten jedoch auch Nachteile, die in Abhängigkeit
von der Vergrößerung der Packungsdichte der Übertragungsleitungen immer stärker in den Vordergrund treten.
Durch die größere Packungsdichte der Übertragungsleitungen ergibt sich zwangsläufig auch eine Verkleinerung der Abstände
zwischen einander benachbarten Übertragungsleitungen. Dadurch erhöht sich die Kopplung zwischen diesen Leitungen
und damit das Neben- bzw. Übersprechen, außerdem ändert sich der Wellenwiderstand der Übertragungsleitungen. Durch die
Übersprech-Kopplung wird in unerwünschter Weise Energie von einer Übertragungsleitung entzogen und diese auf eine andere
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Leitung übertragen, wo sie in den an diese Leitungen angeschlossenen
sehr empfindlichen Schaltkreisen unerwünschte und falsche Schaltvorgänge auslösen kann. Die Abweichung
des Wellenwiderstandes vom Anpassungswert bewirkt, daß auf den Leitungen Reflexionen entstehen und die zu übertragenden
Signale verzerrt und verzögert werden. Bei der Schaltkreisentwicklung für derartige miniaturisierte Strukturen sind
somit der Laufzeit bzw. der Leitungsverzögerung, der Nebenbzw, übersprechkopplung der Obertragungsleitungen und der
Anpassung des Wellenwiderstandes besondere Beachtung zu schenken, um eine betriebssichere Mikro-Struktur zu erhalten,
die eine hohe Dichte von Übertragungsverbindungen aufweist, wird man zwischen den vorgenannten Eigenschaften der Übertragungsleitungen
einen Kompromiß wählen.
Diese zur Signalübertragung zwischen Schaltkreisen dienenden Übertragungsleitungen sind nach bekanntem Verfahren der Photolithographie
und Ätztechnik als sog. gedruckte Leitungen ausgeführt und in mehreren übereinanderliegenden dielektrischen
Schichten, welche miteinander verbunden sind, angeordnet. Derartige Übertragungsleitungen sind als sehr zuverlässige
Verbindungen zur übertragung von hochfrequenten Signalen geeignet.
Um die gewünschten Übertragungseigenschaften zu erhalten, sind einige Punkte zu beachten, sehr wichtig ist z.B.
die Anordnung der isolierenden tragenden Schichten, die Dielektrizitätskonstante
dieser isolierenden Schichten, die Dicke und die Abstände dieser Isolierschichten und die Gesamtabmessungen
der Struktur. Weitere wesentliche Gesichtspunkte für die Betrachtung sind die Anordnung der Leitungsführung, die Abmessungen der Signalleiter und die Gesamtausführung
des Schaltungsaufbaues sowie die Einflüsse der
Temperatur und der Preßdrücke auf die Materialien während des Herstellungsprozesses der Übertragungsleitungen in einer
integrierten Schichtstraktur.
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Durch die amerikanische Patenschrift Nr. 2810892 wurde eine in Streifenleiterbauweise ausgeführte übertragungsleitung
bekannt, die zwei Signalleiter verschiedener Breite enthält, welche in einem bestimmten Luft-Abstand einander gegenüberliegen
und auf jeweils einer Isolierschicht angeordnet sind, deren äußere Oberflächen mit einem als Masse dienenden metallischen
Belag versehen sind. Infolge ihres Luft-Abstandes und durch die übereinanderliegenden Signalleiter ist eine derartige
Übertragungsleitung nur für spezielle Zwecke und nicht als Massenprodukt in Computerschaltkreisen geeignet.
Eine Kreuzungsstelle von zwei in Streifenleiterbauweise ausgeführten
Übertragungsleitungen, die mit geringem Luft-Abstand tibereinanderliegen und deren Signal- und Masseleiter ebenfalls
auf Isolierschichten angeordnet sind, ist in der amerikanischen Patentschrift Nr. 3 104 363 beschrieben. Auch für
diese übertragungsleitung treffen die vorgenannten Nachteile des Luft-Abstandes zu.
Durch die Offenlegungsschrift Nr. 1964670 wurde ein Wellenleiter
mit einem dielektrischen Träger bekannt, an dessen einer Oberfläche ein streifenfönniger Signalleiter und mit
Abstand danebenliegend wenigstens ein Masseleiter angeordnet ist, wobei die Dielektrizitätskonstante des Trägers wesentlich
größer ist als die des der Oberfläche des Trägers benachbarten Mediums, derart, daß das elektrische Feld einer
sich längs des Wellenleiters ausbreitenden Welle hauptsächlich zwischen dem streifenförmigen Signalleiter und dem Masseleiter
begrenzt ist. Dieser Wellenleiter hat den Nachteil, daß durch die nebeneinanderliegende Anordnung des Signal-
und des Masseleiters viel Platz beansprucht wird und bei mehreren Signalleitern keine so große Packungsdichte erziel-,
bar ist, wie sie für die neuzeitlichen in mikrominiaturisierter Bauweise ausgeführten Schaltungsanordnungen erforderlich
ist. Außerdem sind mit diesem bekannten Wellenleiter
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nicht die geforderten kurzen Verzögerungszeiten erreichbar.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine aus mehreren dielektrischen
Schichten bestehende übertragungsleitung in Streifenleiterbauweise zu schaffen, die bei kleinstmöglichen
Abmessungen und einer minimalen Dicke eine gute mechanische Festigkeit aufweist und zur Verwendung in miniaturisierten
Schaltungsanordnungen geeignet ist. Die Struktur der Übertragungsleitung
soll so ausgelegt sein, daß sich eine große Packungsdichte von Verbindungsleitungen ergibt, wobei die
Kopplungen zu benachbarten Leitungen klein sein sollen, damit sich nur geringe Verluste durch über- oder Nebensprechen ergeben.
Bezüglich der elektrischen Charakteristik sollen sich gegenüber den bekannten Ausführungen verkürzte Verzögerungszeiten und ein gleicher Wellenwiderstand ergeben. Außerdem
soll der Wellenwiderstand durch geringe Variationen des Materials oder bei der Herstellung der Struktur einer übertragungsleitung
leicht an einen geforderten Wert anzupassen sein. Das Herstellungsverfahren für die neue übertragungsleitung
soll einfach, billig und für die Massenfertigung geeignet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Isolierschichtstruktur aus drei übereinanderliegenden fest
miteinander verbundenen Isolierschichten gebildet wird, von denen die beiden äußeren mit dem Massebelag versehen sind,
daß die Materialien für die beiden äußeren Isolierschichten eine r elativ hohe Dielektrizitätskonstante (Er) und das
Material für die mittlere Isolierschicht eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante (Er) aufweisen, daß Signalleiter
in den Verbindungsflächen zwischen der unteren und der mittleren Isolierschicht sowie zwischen der mittleren
und der oberen Isolierschicht eingebettet sind, und daß die Signalleiter in der einen Verbindungsfläche sich in der ΧΕΙ chtung und die in der anderen Verbindungsfläche sich in
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der Y-Richtung erstrecken.
Es ist ein Mermal dieser erfindungsgemäßen übertragungsleitung,
daß diese in ihren Isolierschichten zwei verschiedene Isoliermaterialien mit unterschiedlichen dielektrischen Werten
enthält. In der Isolierschichtstruktur ist als Basis- oder Kernmaterial Epoxydglas (EG) mit einer Dielektrizitätskonstanten
(Er =4,4) oder Polyamid (Er = 3,5) für die mittlere Isolierschicht vorgesehen. Jedes dieser beiden vorgenannten
Isoliermaterialien hat einen Schmelzpunkt oder eine Erweichungstemperatur, die wesentlich von dem Schmelzpunkt des
Materials der äußeren Isolierschichten abweicht und welches vorwiegend dazu dient, der übertragungsleitung die mechanische
Festigkeit zu geben. Die Hauptaufgabe dieser mittleren Isolierschicht besteht darin, der dünnen übertragungsleitung
die mechanische Festigkeit zu geben. Für die äußeren Isolierschichten ist ein Material vorgesehen, das eine relativ niederwertige
Dielektrizitätskonstante (Er) aufweist, beispielsweise Polytetrafluoraethylen (Er = 2,1) oder Polyaethylen
(Er = 2,35). Durch dieses Material der zweiten oder äußeren Isolierschichten wird vorwiegend die gewünschte elektrische
Charakteristik der übertragungsleitung geschaffen. Durch die verschiedenen Schmelzpunkte bzw. Erweichungstemperaturen der
Materialien für die inneren und äußeren Isolierschichten wird erreicht, daß sich die Isolierschichten und die Signalleiter
bei der Herstellung der übertragungsleitung besser ineinanderfügen.
Wird die mittlere Isolierschicht auf beiden Oberflächenseiten mit in X- und Y-Richtung verlaufenden streifenförmigen
Leiterbahnen, die als Signalleiter dienen, versehen und wird auf die mittlere Schicht jeweils auf beiden Oberflächen noch
eine äußere Isolierschicht aufgesetzt, dann ergibt sich eine Übertragungsleiterstruktur mit Signalleiterbahnen, die in
zwei Ebenen angeordnet sind, wobei die Leiterbahnen der einen Ebene in der X-Richtung und die Leiterbahnen der anderen Ebene
sich in der Y-Richtung erstrecken. Da die X- und Y-Signal-
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leiter eine orthogonale Richtung zueinander aufweisen, ergibt sich eine vernachlässigbare Kopplung zwischen den übereinanderliegenden
und sich kreuzenden Signalleitern. Durch eine derartige Anordnung der Signalleiter ist es möglich, beliebige
Zwischenverbindungen zu den Anschlüssen der Schaltkreise oder einer Schaltkarte bzw. Schaltungstafel vorzunehmen.
Der Aufbau und die möglichen Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen
übertragungsleitung und deren wesentlichste Merkmale werden folgend in einem Ausführungsbeispiel anhand
der Figuren 1 bis 6 ausführlicher beschrieben. Von den Figuren stellen dar:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße übertragungsleitung, enthaltend drei übereinanderliegende Isolierschichten und zwei
Signalleiter in auseinandergezogener isometrischer Abbildung.
Fig. 2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen übertragungsleitung,
welche drei Isolierschichten enthält.
Fig. 3 eine Schnittansicht von mehreren übereinandergesehichteten
Übertragungsleitungen, wobei jede übertragungsleitung drei Isolierschichten umfaßt.
Fig. 4 eine Skizze, welche die elektrische Feldverteilung in einer übertragungsleitung zeigt, die drei Isolierschichten
aus verschiedenen dielektrischen Materialien enthält.
Fig. 5 ein Schaubild, das zeigt, wie die Verzögerung der Signallaufzeit in einer übertragungsleitung durch
die Wahl von Isoliermaterialien, welche verschiedene Dielektrizitätskonstanten Er aufweisen, zu beeinflussen
ist.
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Fig. 6 eine stark vergrößerte Ansicht einer 90-Ohm-übertragungsleitung,
die zeigt, wie durch die Wahl von Isoliermaterialien, die verschiedene Dielektrizitätskonstanten
Er aufweisen, der Abstand zwischen den Signalleitern vorteilhaft geändert werden kann.
In der Fig. 1 ist die Struktur einer erfindungsgemäßen Übertragungsleitung, welche drei Isolierschichten 10, 12, 14
und zwei Streifenleiter als Signalleiter 15, 16 enthält, dargestellt;
Diese übertragungsleitung hat den im folgenden beschriebenen Aufbau: Eine obere ebene Isolierschicht 10 ist
an der oberen Oberflächenseite mit einer elektrisch leitenden Überzugsschicht versehen, die als Masseschicht 11 dient.
Diese obere Isolierschicht 10 liegt auf einer mittleren Isolierschicht 14, welche wiederum auf einer unteren Isolierschicht
12 aufliegt und mit dieser fest verbunden ist. Diese untere Isolierschicht 12 ist in ihrem Aufbau der oberen Isolierschicht
10 gleich, jedoch ist die leitende Überzugsschicht, welche ebenfalls als Masse 13 dient, an der unteren
Oberfläche der Isolierschicht 12 angeordnet. Die zwischen der oberen und unteren Isolierschicht 10, 12 liegende mittlere
ebene Isolierschicht 14 ist auf jeder Oberflächenseite mit einem Signalleiter 15, 16 zu versehen, der als Streifenleiter
ausgeführt ist.'Diese beiden Streifenleiter erstrecken sich orthogonal zueinander. Dabei verläuft der obere.Signalleiter
15 in der X-Richtung und der untere Signalleiter 16 in der Y-Richtung. Die mittlere Isolierschicht 14, welche
zwischen der oberen und,der unteren Isolierschicht 10, 12
liegt, wird mit diesen beiden äußeren Isolierschichten 10, fest verbunden, indem bei der Herstellung des SchichtstapeIs
unter Einwirkung von Druck und Hitze ein zwischen die Auflageflächen gelegter dünner Film aus Kunstharz zum schmelzen
gebracht wird. Die Anschlußverbindungen zu den in der Stapelstruktur
befindlichen Signalleitern 15, 16 können entweder an den Kanten der Stapelstruktur oder in bekannter Weise auch
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durch Bohrungen hergestellt werden, die die Isolierschichten 10, 12 durchdringen, wie dies dem Fachmann aus·der Schaltkarten-
bzw. Schalttafelfertigung bekannt ist. Durch Experimente und Untersuchungen wurde festgestellt, daß eine erfindungsgemäße
übertragungsleitung in der vorgenannten Stapelstruktur auf einfache Weise nach zwei verschiedenen Verfahren
hergestellt werden kann.
Bei dem ersten Herstellungsverfahren wird mit der mittleren Isolierschicht 14 begonnen. Als Schichtmaterial wird platten-
oder folienförmiges Epoxydglas (EG) in vorbestimmter Stärke verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde für die mittlere
Isolierschicht 14 eine Schichtdicke von 0,10 mm gewählt. Diese mittlere Isolierschicht 14 wird dann auf beiden Oberflächenseiten
jeweils mit einer 0,175 mm dicken Kupferfolie beschichtet. In diesen Kupferleitschichten werden dann durch
photolithographische, chemische und Ätzverfahren die Signalleitungen 15, 16 in der X- und Y-Ebene gebildet. Die Herstellungsverfahren
der X- und Y-Signalleiter 15, 16 als Streifenleitungen in Form gedruckter Leiterbahnen sind die
gleichen wie bei der Herstellung von gedruckten Schaltkreisen, und sie sind dem Fachmann bekannt. Im folgenden Verfahrensschritt
wird die mittlere Isolierschicht 14, welche jetzt an ihren Oberflächen die Signalleiter 15, 16 trägt,
auf beiden Seiten mit einer etwa 0,10 mm dicken Folie, beispielsweise bestehend aus Polytetrafluoraethylen (FEP),
beschichtet. Dieser FEP-Folienauftrag entspricht der oberen
und der unteren Isolierschicht 10 und 12 in der Struktur der Übertragungsleitung. In dieser Stapelstruktur sind nun die
X- und Y-Signalleitungen 15, 16 in den Verbindungsflächen
zwischen der mittleren Isolierschicht 14 aus EG und den äußeren Isolierschichten 10, 12 aus FEP eingebettet. Im
gleichen Verfahrensschritt werden die beiden äußeren aus FEP-Material bestehenden Isolierschichten 10, 12 der Stapelstruktur
mit einer Kupferfolie beschichtet. Diese aufkaschierten Kupferschichten 11, 13, welche in der Über-
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tragungsleitung vorwiegend als Masseleitschicht dienen, sind
mit dem FEP-Material fest verbunden. Diese Verbindung wird durch Klebung geschaffen, unter Verwendung von Kunstharz als
Klebemittel und ggf. unter Einwirkung von Hitze zum Beschleunigen des Aushärtens der Klebestelle.
Aus der Fig. 2, welche die Ansicht eines Schnittes durch die
Struktur einer übertragungsleitung darstellt, ist besonders deutlich die Anschlußverbindung für die streifenförmigen
Signalleitungen 15, 16 zu ersehen. Die elektrische Verbindung
zu den inneren Signalleitungen 15 und 16 der Schichtstruktur kann dadurch erfolgen, daß eine Bohrung 17, welche die drei
Isolierschichten 1O, 12, 14 durchdringt, nach bekannten Verfahren mit elektrisch gut leitendem Material plattiert wird.
Die die Bohrung 17 auskleidende plattierte Metallschicht kann an den beiden Oberflächenseiten der Stapelstruktur einen
kleinen Bord 18 aufweisen, welcher durch eine Ausätzung in der Umgebung der Bohrung 17 von den Masseschichten 11, 13
elektrisch isoliert und getrennt ist. An der Verbindungsbohrung 17 können somit Signale, die ein von Masse abweichendes
Potential aufweisen, eingespeist oder abgenommen werden.
Alternativ zu dem erstgenannten Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen übertragungsleitung mit einer Schichtstruktur,
die drei Isolierschichten 10, 12, 14 und die Streifenleiter 15, 16 enthält, ist auch noch ein zweites einfaches
Herstellungsverfahren möglich. Unter Hinweis auf die Fig. 1 wird bei diesem zweiten Herstellungsverfahren zuerst
das FEP-Material der beiden äußeren Isolierschichten 10, 12, welche bei der fertigen Stapelstruktur die untere und die
obere Isolierschicht bilden, mit der 0,175 mm dicken Kupferfolie jeweils auf beiden Oberflächenseiten kaschiert. Von
dem beidseitig mit der Kupferfolie beschichteten FEP-Material dient der eine Metallbelag wieder als elektrisch leitende
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Masseschicht 11, 13 und der andere Metallbelag zur Herstellung der Signalleitungen.15, 16, die durch bekannte photolithographische
und Ätzverfahren aus diesen kaschierten Metallschichten
gewonnen werden. Dabei werden auf der oberen Isolierplatte 10 die X-Signalleiter 15 und auf der unteren Isolierplatte
12 die Y-Signalleiter 16 gebildet. Durch Aufeinanderschichtung
dieser beiden aus FEP-Material bestehenden und beschichteten Isolierplatten 10 und 12 derart, daß ihre aufkaschierten
Masseschichten 11, 13 nach außen zeigen, und durch das Zwischenfügen der mittleren Isolierschicht 14, welche
aus O,10 mm dickem Epoxydglas besteht, und die Signalleiter
15, 16 voneinander trennt, wird eine Stapelstruktur gebildet,
die durch Hinzufügen von Kunstharz an den Verbindungsstellen und durch die Einwirkung von Druck und Hitze nach einem der
bekannten Härteverfahren zu einer kompakten Struktur polymerisiert, die nach Anbringung der Anschlußverbindungen die
Übertragungsleitung bildet. Diese Anschlußverbindungen für die Signalleiter 15, 16 der übertragungsleitung können, wie
bereits vorstehend beim ersten Herstellungsverfahren beschrieben wurde, entweder an den Kanten der Stapelstruktur oder durch
metallische plattierte Bohrungen 17 gemäß der Fig. 2 hergestellt werden.
Aus der Fig. 3 ist zu ersehen, wie die übertragungsleitungen
nach Fig. 1, welche drei Isolierschichten enthalten, in integrierter Bauweise in einer Schaltungs- oder Verteilertafel
angeordnet werden können. Bei der in Fig. 3 in Schnittansicht dargestellten Schalttafel dient die obere Seite mit
der Bohrung 30 als Anschlußstelle zur Einspeisung oder Abnahme der Signale, und die untere Seite der Schalttafel ist
die Montageseite, welche als Träger für die elektrischen Bauelemente dient. Der Signalanschluß eines Bauelementes
ist mit dem unteren Ende z.B. der Signaleinspeisungsstelle der Bohrung 30 verbunden. Bei einer derartigen Anordnung ist
dann die Oberfläche der Schalttafel zugänglich für Meßzwecke
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oder für auszuführende Schaltungsänderungen. Die Signal-Anschlüsse
haben an der Oberseite der Schalttafel eine Verbindung zu benachbarten X-Y-Anschlußpunkten, z.B. 31. Diese
Anschlußpunkte sind vorbestimmt mit Signalleitern in der
Stapelstruktur verbunden; beispielsweise besteht eine Verbindung zwischen dem Anschlußpunkt 31 und der Y-Signalleitung
32 in der Stapelstruktur. Durch solch eine Anordnung der
Signalanschlüsse an der Schalttafel ist es leicht möglich, Schaltungsänderungen vorzunehmen, da eine wahlweise Zugänglichkeit
zu den verschiedenen Signalleitungen SX, SY, 32, gegeben ist. Es können somit Schaltungsänderungen vorgenommen
werden, ohne daß ein Bauelement entfernt werden muß. Mit anderen Worten erläutert, kann eine nicht vorhandene oder
schadhafte innere Schaltverbindung leicht an der Oberseite der Schalttafel ergänzt werden, z.B. wo eine Drahtverbindung
von der Signalanschlußstelle 30 zur Signalanschlußstelle hergestellt wird. Solch eine Anordnung, die es ermöglicht,
noch nachträglich äußere Schaltverbindungen herzustellen, ist ein Vorzug der aus drei Isolierschichten bestehenden
Übertragungsleitung.
Der Steckerstift 33, welcher an der Unterseite der Schalttafel in eine plattierte Anschlußbohrung 34 hineinragt, kann
der Anschlußstift eines elektronischen Bauelementes sein. Diese Bauelemente können mehrere Anschlußstifte aufweisen,
die zur Signalübertragung dienen, und die das gleiche Rastermaß aufweisen wie die plattierten Anschlußbohrungen in der
Schalttafel, in die sie gesteckt und mit denen sie verlötet werden.
Um bei den übertragungsleitungen mit streifenförmigen Signalleitern
15, 16 die gewünschten Eigenschaften zu erhalten, sind bestimmte Grundprinzipien zu beachten. Es ist von Bedeutung
zu wissen, wie die dielektrischen Eigenschaften der Isoliermaterialien und deren Abmessungen sowie die DimerBLo-
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nierung und die Führung der Signalleiter 15, 16 von einander
abhängig sind, um die Charakteristik der Übertragungsleitung beeinflussen zu können. Besteht beispielsweise das Dielektrikum
bei einer Übertragungsleitung nicht aus einem festen Material, sondern aus Luft, dann erhöht sich die Laufzeit
bzw. die Verzögerungszeit der Übertragungsleitung, wodurch
sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals entlang der Signalleiter 15, 16 vermindert, und dies hat zur Folge,
daß die Wellenlänge der zu übertragenden Signale ebenfalls reduziert wird. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signales
in einer übertragungsleitung wird im wesentlichen durch deren Dielektrizitätskonstante (Er) bestimmt. Dabei ist
vorausgesetzt, daß als Dielektrikum keine magnetischen Materialien Verwendung finden und daß die Permeabilität dieser dielektrischen
Materialien/"-=1 ist. Soll die Übertragungsleitung
einen bestimmten Wert des Wellenwiderstandes aufweisen, dann sind zur Herstellung der Übertragungsleitungen
bestimmte Materialien bzw. Elemente erforderlich, die bezüglich ihrer physikalischen Eigenschaften und ihrer Abmessungen
aufeinander abgestimmt werden müssen, da zwischen diesen Eigenschaften und den Abmessungen bestimmte Zusammenhänge
bestehen. Um die Gesamtdicke einer Übertragungsleitung zu vermindern, die drei Isolierschichten enthält, besteht
eine Möglichkeit darin, die Dielektrizitätskonstante (Er) dieser drei Isolierschichten zu verkleinern; jedoch ist eine
Verringerung der Gesamtschichtdicke durch eine Reduzierung von Er nicht so einfach, wie es zunächst den Anschein hat,
da dadurch ebenfalls der Wellenwiderstandswert dieser Übertragungsleitung
kleiner wird. Um dieses Problem zu lösen, ist es eine grundsätzliche und wesentliche Aufgabe, die Dielektrizitätskonstante
(Er) entsprechend anzupassen.
Die Dielektrizitätskonstante (Er) ist für alle Übertragungsleitungen mit streifenförmigen Signalleitern 15, 16 eine
kritische Verhältniszahl. Jedoch ist außerdem die Dicke des
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Dielektrikums oder des Isoliermaterial von gleicher Wichtigkeit
wie die Dielektrizitätskonstante (Er). Die Dicke des Dielektrikums bzw. der Isolierschichten beeinflußt stark die
Charakteristik des Wellenwiderstandes Zo, wobei dieser Wellenwiderstandswert Zo ein fundamentaler Entwicklungsparameter
für alle Übertragungsleitungen ist, die streifenförmige Signalleiter
aufweisen. Der charakteristische Wellenwiderstand Zo einer derartigen übertragungsleitung ist von der Dielektrizitätskonstanten
(Er) des Dielektrikums, von der Breite und Dicke der streifenförmigen Signalleiter 15, 16 und der Dicke
der Isolierschichten 10, 12, 14 abhängig.
In Übertragungsleitungen, die aus Schichtstrukturen bestehen, müssen die Signale möglichst ohne Verluste und Verzögerungen
durch die Übertragungsleitungen den Bauelementen bzw. den Schaltungskreisen zugeführt und die in diesen erzeugten
Signale wieder anderen Schaltungsanordnungen zugeleitet werden. Derartige Übertragungsleitungen, die diesen Anforderungen
entsprechen, weisen je nach den vorliegenden Verhältnissen einen charakteristischen Wellenwiderstand Zo auf, dessen
Wert meistens im Bereich von 30 bis 100 Ohm liegt. Der charakteristische Wellenwiderstand Zo einer übertragungsleitung
mit streifenförmigen Signalleitern ist mit Hilfe
von zugeordneten Programmen bei Angabe der Konstanten für die dielektrischen Materialien, der Abmessungen für die
Leitungen und der zulässigen Grenzwerte durch Computer berechenbar. Eine Version eines derartig geeigneten Computerprogrammes
ist in dem IBM-Research and Development Journal, Mai 1969, Seiten 314 bis 322, ausführlich beschrieben.
Bei einer derartigen maschinellen Berechnung können die geometrischen Abmessungen und die dielektrischen Konstanten
so variiert und gewählt werden, daß sich der gewünschte Wellenwiderstand Zo oder Impedanzwert ergibt. Durch Änderungen
der Parameter können deren Einflüsse überschaubar
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gemacht werden. Der charakteristische Wellenwiderstand Zo einer Übertragungsleitung mit streifenförmigen Signalleitern
ist sehr empfindlich und abhängig von der Dicke des dielektrischen Materials, den Leiterabmessungen und den dielektrischen
Konstanten. Ein anderer wesentlicher Gesichtspunkt bei der Entwicklung'von Übertragungsleitungen, insbesondere, wenn
diese sehr nahe beieianderliegen und eine große Packungsdichte aufweisen, ist die Charakteristik des Nebensprechens
oder Übersprechens dieser übertragungsleitung. Unter Nebenbzw,
übersprechen wird die unerwünschte Kopplung zwischen Signalleitern und die gegenseitige Übertragung von Energie
verstanden. Diese unerwünschte Übertragung der Energie zwischen den einander benachbarten Signalleitungen resultiert aus der
induktiven und kapazitiven Kopplung zwischen diesen Leitern. Diese durch die unerwünschte Kopplung übertragene Energie
ist ein Verlust und kann über die benachbarten Signalleitungen Fehler in Schaltkreisen verursachen. Diese unerwünschte kapazitive und induktive Kopplung zwischen den einander benachbarten
Leitern ist eine Funktion der Länge der Signalleitungen und des gegenseitigen Leitungsabstandes sowie der dielektrischen
Konstanten dieser Leitungsanordnung. Auch diese charakteristischen Eigenschaften einer übertragungsleitung können
mit dem vorstehend beschriebenen Computerprogramm berechnet werden, so daß eine Voraussage über die Neben- bzw. übersprechcharakteristik
und den Kopplungskoeffizienten möglich ist.
Die Fig. 2 zeigt die Ansicht eines Querschnittes durch eine Übertragungsleitung mit streifenförmigen Signalleitern 15, 16,
deren Schichtstruktur drei Isolierschichten 10, 12, 14 enthält. Diese drei Isolierschichten IO, 12, 14 weisen zwei dielektrische
Konstanten auf. Die folgende Tabelle zeigt die vorteilhafte Dicke der Schichtstruktur für Übertragungsleitungen mit streifenförmigen Signalleitern 15, 16, deren
charakteristischer Wellenwiderstand Zo 5O Ohm und 90 Ohm be-
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trägt. Die streifenförmigen Signalleiter 15, 16 haben eine
gleiche Breite W = 0,10 mm und eine Dicke von etwa 0,175 mm in allen Ausführungsbeispielen.
Nur EG
0,101 mm 0,101 mm 0,305 mm 0,127 mm
Dimension | Dual-Dielektrikum | and E/G) |
(FEP ι | mm | |
' A | 0,101 | mm |
B | 0,076 | mm |
C (gesamt) | 0,254 | mm |
D | 0,089 |
Wellenwiderstand Zo = 90 Ohm
A | (gesamt) | 0,101 | mm |
B | 0,305 | mm | |
C | 0,711 | mm | |
D | 0,279 | mm | |
0,101 mm 0,660 mm 1,321 mm 0,508 mm
Um zu zeigen, wie kritisch einige von den Dimensionen sind, wurden mit dem bereits erwähnten Computerprogramm die folgenden
Werte der Empfindlichkeit des Wellenwiderstandes für die 50-Ohm-übertragungsleitung in der dualen dielektrischen
Struktur berechnet:
<fZO W =
= 200 Ohm/mm
<5Zo ο _ r>
=' 400 Ohm/mm
W B - 3
(TZo λ _ λ =40 Ohm/mm.
r. Ά — 4
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In der obigen Tabelle bedeuten
W die Breite der Signalleiter, A und B die Dicken der Epoxydglasschicht EG
bzw. des FEP-Schichtmaterials, wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist.
Aus dem Schaubild der Fig. 5 ist zu ersehen, wie bei einer Übertragungsleitung die Charakteristik der Laufzeitverzögerung
durch verschiedene Materialien, welche unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten
(Er) aufweisen, zu beeinflussen ist. Die im Schaubild eingezeichneten Punkte A, B, C sind repräsentativ
für die diesen Punkten zugeordneten Isoliermaterialien bzw. deren Schichtanordnung:
A) Drei Schichten Epoxydglas EG.
B) Drei Schichten Isoliermaterialien, wobei die innere Isolierschicht und die beiden äußeren Isolierschichten
unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten (Er) aufweisen.
C) Koaxialkabel, bestehend aus Polytetrafluoraethylen.
Die Fig. 4 zeigt in einem schematischen Querschnitt durch eine
Übertragungsleitung mit streifenförmigen Signalleitern die
Energieverteilung in dieser Schichtstruktur. Aus dieser schematischen
Skizze ist zu ersehen, daß in der Region 2 die Energiedichte am größten ist und sich eine dielektrische
Änderung dort am stärksten auswirken wird. Es ist zweckmäßig, für diese Region 2 oder Isolierschicht Polytetrafluoraethylen
FEP anstelle von Epoxydglas EG zu verwenden. Um den charakteristischen
Wellenwiderstandswert Zo zu erhalten, ist auch der Abstand zwischen dem Signalleiter und dem Massebelag zu
vermindern. Diese vorstehend erwähnten Änderungen bewirken eine Reduktion in der Neben- bzw. überSprechcharakteristik
einer übertragungsleitung, deren Wellenwiderstandswert 90 Ohm
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beträgt. Oder, in anderen Worten erläutert: Legt man für beide
Ausführungen den gleichen Pegel des Neben- oder Übersprechens zugrunde, dann kann sich das lichte Abstandsmaß D zwischen
zwei benachbarten streifenförmigen Signalleitungen 16 wesentlich verringern. Beträgt bei einem Isoliermaterial mit einheitlicher
Dielektrizitätskonstante (Er), z.B. bei Epoxydglas EG, das Abstandsmaß beispielsweise D = 0,51 mm zwischen
zwei Streifenleitungen 16, dann kann sich dieser Abstand D auf etwa 0,28 mm verringern, wenn ein Isoliermaterial mit
dualer Dielektrizitätskonstante (Er) verwendet wird. Bei einer übertragungsleitung mit Streifenleitern, deren Wellenwiderstand
Zo 90 Ohm beträgt, in Form einer Schichtstruktur, bestehend aus drei Isolierschichten, verringert sich deren
Gesamtdicke von 1,32 mm auf 0,71 mm, wenn anstelle eines Isoliermaterials mit einer einheitlichen Dielektrizitätskonstanten
(Er) ein mehrschichtiges Isoliermaterial mit zwei verschiedenen Dielektrizitätskonstanten verwendet wird. Es
besteht somit ein doppelter Vorteil bezüglich der Stapelstruktur bzw. der Packungsanordnung. Wie aus der Fig. 6 zu
ersehen ist, verringert sich auch der Abstand 45 + D zwischen den beiden Anschlußpunkten einer Schaltverteilertafel, wenn
sich der lichte Abstand zwischen zwei streifenförmigen Signalleitungen von 0,51 mm auf 0,28 mm verringert. Außer dieser
Abstandsverringerung, die einer Erhöhung der Packungsdichte
entspricht, ergibt sich noch der weit wesentlichere Vorzug, daß die Laufzeit zwischen zwei Anschlußpunkten sehr beachtlich
verkürzt wird. In einem typischen Anwendungsfall verringert sich der Abstand zwischen den beiden Anschlußpunkten
von 1,65 mm auf 1,42 mm und die Laufzeitverzögerung ändert sich im Verhältnis 1:0,7. Es ergibt sich somit als
Produkt dieser Änderungen eine gesamte Verbesserung bezüglich der Packungsdichte, der Dicke der Stapelstruktur und
der Laufzeitverkürzung von ca. 48%r bei gleichem Wellenwiderstand
Zo und bei gleicher Neben- bzw. Übersprechcharakteristik dieser Übertragungsleitung.
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Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß eine übertragungsleitung
mit streifenförmigen Signalleitungen in einer aus" drei
Isolierschichten bestehende Struktur sehr vorteilhaft zur Übertragung
von ultraschnellen Signalen bei kürzesten Signallaufzeiten und kleinsten Abmessungen geeignet und ein optimales
Ergebnis zu erzielen ist, wenn für die Isolierschichten Materialien
mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten (Er) verwendet werden.
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Claims (10)
- - 20 PATENTANSPRÜCHEübertragungsleitung mit vorbestimmtem Wellenwiderstand für hochfrequente Signale, die wenigstens einen streifenförmigen Signalleiter enthält, der in einer plattenförmigen Isolierschichtstruktur, die eine bestimmte Dielektrizitätskonstante aufweist, sich parallel in vorbestimmten Abständen zu deren Oberflächen erstreckt, die beide mit einem als Masse dienenden elektrisch leitenden metallischen Belag versehen sind, insbesondere in Miniaturisierter Bauweise, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichtstruktur aus drei übereinanderliegenden fest miteinander verbundenen Isolierschichten (10, 12, 14) gebildet wird, von denen die beiden äußeren »it dem Massebelag (11, 13) versehen sind, daß die Materialien für die beiden äußeren Isolierschichten (10, 12) eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante (Er) und das Material für die mittlere Isolierschicht (14) eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante (Er) aufweisen, daß Signalleiter (15, 16) in den Verbindungsflächen zwischen der unteren und der mittleren Isolierschicht (12, 14) sowie zwischen der mittleren und der oberen Isolierschicht (14, 10) eingebettet sind, und daß die Signalleiter (15, 16) in der einen Verbindungsfläche sich in der X-Rlchtung und die in der anderen Verbindungsfläche sich in der Y-Richtung erstrecken.
- 2. übertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Isolierschichten (10, 12, 14) aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen.
- 3. übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Isolierschicht· (14) aus einem Polyamid gebildet wird und daß die beiden äußeren Isolierschichten (10, 12) aus Polyäthylen be-209840/1044Docket EN 970 OO6stehen.
- 4. übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Isolierschicht. (14) aus Epoxydharz (EG) besteht.
- 5. übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Isolierschichten (1O, 12) aus Polytetrafluoräthylen bestehen.
- 6. übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Verbindungsfläche zwischen zwei Isolierschichten (1O, 12, 14) mehrere Signalleiter (15, 16) mit vorgegebenem Abstand (D) nebeneinander liegen.
- 7. übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Gestalt einer ebenen Vertexlertafel aufweist, und daß zur Anschlußverbindung der Signalleiter (15, 16) die Isolierschichtstruktur durchdringende metallische plattierte Bohrungen (17) vorgesehen sind und daß diese Flattierung mit wenigstens einer Signalleitung verbunden ist.
- 8. übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einem Stapel, der aus mehreren Isolierschichten besteht; gebildet wird, und daß in dem Stapel in stetiger Folge jeweils auf einer Isolierschicht (FEP) mit relativ niedriger Dielektrizitätskonstante (Er) eine Isolierschicht (EG) mit relativ hoher Dielektrizitätskonstante (Er) liegt (Fig. 3).
- 9. Verfahren zur Herstellung einer übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der mittleren Isolierschicht (14) an beiden Oberflächen mit einem Kupferüberzug beschichtet wird, daßDo<*et en 970 006 209840/104*in diese Kupferschichten die X- und Y-Signalleitungen (15, 16) nach bekannten Verfahren geätzt werden, daß an- ' schließend diese mittlere, die Signalleitungen tragende Isolierschicht (14) beidseitig mit der oberen und der unteren Isolierschicht (10, 12) durch die Einwirkung von Hitze und Druck fest verbunden wird und daß dann die Oberflächen der Isolierschichtstruktur mit dem die Masse bildenden Kupferbelag beschichtet werden.
- 10. Verfahren zur Herstellung einer übertragungsleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Isolierschichten (10, 12) jeweils an beiden Oberflächen mit einem Kupferüberzug beschichtet werden, daß jeweils in eine Kupferschicht dieser Isolierschichten entweder die X- oder die Y-Signalleiter (15, 16) nach bekannten Verfahren geätzt werden, daß dann die die Signalleiter (15, 16) tragenden Seiten der äußeren Isolierschichten (10, 12) mit der mittleren Isolierschicht (14) zu einem Stapel vereinigt und durch die Einwirkung von Hitze und Druck fest miteinander verbunden werden.209840/10AADocket EN 970 006
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