DE102004018854A1 - Kompakte Aufbauform für Hochfreuenz-Oszillatoren mit integrierter Schaltung und externem Resonator - Google Patents

Abstract

Die in diesem Antrag beschriebene Erfindung beschreibt einen neuartigen Ansatz für den Aufbau von rauscharmen, kompakten und kostengünstig realisierbaren Oszillatoren für Hochfrequenz- und Mikrowellenanwendungen. Durch die gleichzeitige Verwendung des notwendigen Resonators als Chipträger und als Gehäuse bzw. Gehäuseteil kann bei vorgegebener spektraler Reinheit ein bisher nicht erreichbar geringes Bauvolumen realisiert werden.

Description

• Oszillatoren für den Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich werden heute zunehmend nicht mehr aus Einzelbauelementen sondern mit integrierten Mikrowellenschaltungen (MMIC, Monolithic Microwave Integrated Circuit) realisiert. Diese Bausteine ermöglichen sehr geringe mechanische Abmessungen und lassen sich kostengünstig herstellen.
• Die spektrale Reinheit der erzeugten Schwingung (Phasenrauschen, Jitter) hängt in erster Linie von dem frequenzbestimmenden Resonator ab. Gebräuchlich sind neben Schwingkreisen aus konzentrierten Elementen (Spulen, Kondensatoren oder Varaktordioden) auch Leitungsresonatoren. Dabei ist man bestrebt, diese Elemente mit auf der integrierten Schaltung zu realisieren.
• Problem:
• Für qualitativ hochwertige Oszillatoren mit geringen Phasenrauschen reicht die Güte der auf den integrierten Schaltungen realisierbaren Resonatoren nicht aus. Deshalb müssen externe Anordnungen (z. B. dielektrische Resonatoren oder keramische Koaxialresonatoren) verwendet werden. Dies führt dann zu einem zusätzlichen Platzbedarf und einem erhöhten Montageaufwand. Oft ist zudem ein großvolumiges Abschirmgehäuse erforderlich.
• Lösung:
• Der Resonator wird so ausgeführt, dass er neben seiner elektrischen Funktion gleichzeitig als Träger für die integrierte Schaltung fungiert und außerdem das Gehäuse oder einen wesentlichen Teil des Gehäuses bildet.
• Erreichte Vorteile:
• 1. Durch die Mehrfachfunktion des Gehäuses wird eine erhebliche Volumen- und Gewichtseinsparung erreicht.
• 2. Der Montageaufwand wird deutlich reduziert. Ein automatisierter und dadurch kostengünstiger Aufbau wird ermöglicht.
• 3. Der kompakte Aufbau führt zu einer verringerten Empfindlichkeit gegen mechanische Vibrationen (Mikrofonie). Trotz der kostengünstigen Realisierung ist ein Einsatz auch unter problematischen Umweltbedingungen möglich.
• Beschreibung eines Ausführungsbeispiels:
• 1:
• 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Oszillators mit integrierter Schaltung und externem Hohlraumresonator für den Mikrowellenbereich. Der Resonator (1) bildet gleichzeitig den Gehäuseboden. Er besteht aus einem Dielektrikum (z. B. Keramik) und ist außen fast vollständig metallisiert. Die Metallisierung (2) (z. B. Vergoldung) ist nur an einer Stelle für die Einkopplung (3) unterbrochen.
• Auf der Oberseite des Resonators wird der aktive Teil des Oszillators – hier realisiert als integrierte Mikrowellenschaltung – aufgeklebt. Diese integrierte Schaltung (4) kann neben dem Oszillatorkern auch noch weitere Schaltungsteile wie Trennverstärker oder einen digitalen Frequenzteiler erhalten. Ein Bondraht (5) stellt die Verbindung zwischen Oszillatorkern und Einkopplung dar.
• Um den Oszillator herum ist auf dem Resonator eine kleine Multilayerschaltung (6) aufgebracht. Zur Verbindung zwischen Oszillatorkern und Multilayer dienen weitere Bonddrähte (10). Der Multilayer stellt dann die Verbindung zum Anschlussbereich (7) her. Die erforderlichen Anschlüsse sind normalerweise Oszillatorausgang und Betriebspannungszuführung. Im Falle von elektrisch abstimmbaren Oszillatoren dient ein weiterer Anschluss zur Zuführung der dann erforderlichen Abstimmspannung.
• Die Multilayerschaltung kann zusammen mit dem Resonator beispielsweise in Polyimid-Technik ausgeführt werden. Sie gestattet dann auch das Auflöten oder Aufkleben eines Deckels (8) wobei durch Durchkontaktierungen (9) eine leitende Verbindung zwischen Resonator und Deckel gewährleistet wird. So entsteht ein hermetisch dichtes und elektrisch perfekt abgeschirmtes Gehäuse.
• Die Verbindung des Oszillators zur umgebenden Schaltung kann ebenfalls mit Bonddrähten (11) erfolgen.
• Diese Bauform gestattet eine bisher nicht erreiche Kompaktheit bei gleichzeitiger Verwendung eines hochwertigen Resonators. Dadurch werden bei vorgegebenen Rauschdaten Oszillatoren in deutlich kleinerer Bauform realisierbar. Die Frequenz wird durch die geometrischen Abmessungen und die Dielektrizitätskonstante des Resonatormaterials bestimmt. Letztere lässt sich bei der Herstellung der Keramik durch entsprechende Auswahl der Rohmaterialien in weiten Grenzen variieren.
• Alternative Ausführungsformen
• Resonator-Bauform:
• Die oben beschriebene Ausführungsform ist beispielhaft mit einem Hohlraumresonator dargestellt. Alternativ lassen sich natürlich auch andere Resonatorformen verwenden. Bei Frequenzen unter ca. 3 GHz empfehlen sich wegen geringerer Abmessungen Leitungsresonatoren, die zudem noch durch eine Kapazität elektrisch verkürzt werden können.
• Chip-Montage/Chip-Kontaktierung:
• Natürlich ergeben sich auch Alternativen für die Montage des Halbleiterchips mit dem aktiven Teil des Oszillators. Neben der im Beispiel beschriebenen konventionellen Bondtechnologie ist auch die Flipchip-Montage denkbar.
• Technologien:
• Im Beispiel wurde auf die Keramiktechnologie in Verbindung mit Polyimid-Multilayer zurückgegriffen. Die Aufbringung der Metallisierungen kann dabei in Dünnfilm- oder Dickschichttechnologien erfolgen. Auch die Verwendung von Mehrschichtkeramik (LTCC) ist denkbar. Ein vergleichbarer Aufbau lässt sich auch mit einer fortgeschrittenen Leiterplattentechnologie durchführen.

Claims (1)

1. Kompakte Aufbauform für Hochfrequenz-Oszillatoren mit integrierter Schaltung und externem Resonator Dadurch gekennzeichnet, dass der frequenzbestimmende Resonator neben seiner elektrischen Funktion gleichzeitig als Gehäuse und Träger für die integrierte Schaltung des Oszillators dient.