DE102009048838B3

DE102009048838B3 - Hermetisches dichtes Hochfrequenz-Frontend

Info

Publication number: DE102009048838B3
Application number: DE102009048838A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Peter Dr. Feldle; Bernhard Dr. Schönlinner; Ulrich Prechtel; Jörg Sander
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Hensoldt Sensors GmbH
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2029-10-10
Also published as: CA2776932A1; KR20120081126A; US8971056B2; JP5697673B2; JP2013507602A; WO2011042000A1; US20120236513A1; EP2486587B1; EP2486587A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hermetisch dichtes HF-Frontend (z.B. Sende-/Empfangsmodul) in Mehrlagenstruktur umfassend elektronische Bauelemente (3, 4), wobei die Mehrlagenstruktur mehrere übereinander gestapelte, die Bauelemente (3, 4) tragende Substrate (1, 2) enthält, wobei in den Substraten (1, 2) Nuten (7) ausgeführt sind und zwischen den Substraten (1, 2) Dichtelemente (5, 8) vorhanden sind, welche in die Nuten (7) eingreifen und dass die Substrate (1, 2) miteinander verlötet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenz(HF)-Frontend in einer Mehrlagenstruktur gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Dieses HF-Frontend ist für die Anwendung als Sende-/Empfangsmodul, Sendemodul oder Empfangsmodul ausgelegt.
Die Erfindung ist u. a. anwendbar in aktiven Antennen (active electronically steerable antenna AESA) in Radarsystemen, SAR (synthetic apertur radar), Systeme der elektronischen Krieg- oder Einsatzführung (electronic warfare EW) sowie für Navigations- und Kommunikationssysteme. Mögliche Plattformen sind Boden- und Marine-Systeme, Flugzeuge, Satelliten, Drohnen und Flugkörper sowie gebäude- oder fahrzeug-gebundene Systeme. Die Mehrlagenstruktur dieser Module ist die Voraussetzung für eine hohe Miniaturisierung der Module sowie deren Anordnung in konformen und/oder strukturintegrierten Antennengruppen (antenna arrays).
Aus EP 1 328 042 B1 ist ein Sende-/Empfangsmodul für ein Radarsystem bekannt, welches aus mehreren aufeinander gestapelten Substratschichten (lagern) besteht, welche mit Lötkugeln (solder bumps) verbunden sind. Wegen der endlichen Ausdehnung der Lötkugeln verbleiben Spalte zwischen benachbarten Substratschichten. Durch diese Spalte können Feuchtigkeit und andere Verschmutzungen in das Modulinneren eindringen, die die elektrische Funktion der einzelnen Komponenten, z. B. elektrische Bauteile, innerhalb des Moduls beeinflussen oder gegebenenfalls bis zum Totalausfall schädigen. Trotz der in EP 1 328 042 B1 beschriebenen Lötverbindung zwischen den einzelnen Schichten ist keine hermetische Dichtigkeit des Modulinneren gewährleistet. Diese hermetische Dichtigkeit ist jedoch die Voraussetzung für den Einsatz dieser Module für Raumfahrtanwendungen und Plattformen in krietischen Umweltbedingungen.
Ein Schutz vor Umwelteinflüssen ist durch äußere Maßnahmen möglich, z. B. zusätzliche verschweißte Schutzhüllen, durch welche die Querschnittsabmessungen der Sende-/Empfangsmodule vergrößert werden. Zudem wirken mechanischen Kräfte durch die Verformung solcher Schtuzhüllen beim Verschweißen auf die Mehrlagenstruktur, die die Langzeitstbilität der Module beinflußt oder die Lötverbindungen zwischen den Modullagen unterbrechen können. Zudem ermöglichen solche Schutzhüllen, z. B aus Kunststoff (z. B. Polymere) nur einen eingeschränkten, jedoch keine hermetische Dichtigkeit. Weiterhin können solche Kunststoffe über die Zeit ausgasen und somit die Bauelemente und deren Verbindungen zu den Substraten schädigen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes HF-Frontend (z. B. Sende-/Empfangsmodul mit integriertem Strahlerelement) mit einem hermetisch dichtem Innenraum anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem HF-Frontend gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße HF-Frontend ist in Mehrlagenstruktur ausgeführt und umfasst elektronische Bauelemente, wobei die Mehrlagenstruktur mehrere übereinander gestapelte, die Bauelemente tragende Substrate enthält. Das Modul zeichnet sich dadurch aus, dass in den Substraten Nuten (an den Randbereichen der jeweiligen Lagenstruktur) ausgeführt sind und zwischen den Substraten Dichtelemente (z. B. metallische Rahmen oder Deckel) vorhanden sind, welche in die Nuten eingesetzt und mit den benachbarten Substrate miteinander verlötet werden.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist das Dichtelement ein offenes Rahmenelement, welches in die Nuten zweier benachbarter Strukturen eingreift. In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das Dichtelement ein geschlossenes Deckelelement, das eine hermetischer Dichtigkeit jedes einzelnen Substrates (Modul-Layer) sicherstellt.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
1a eine schematisierte seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen HF-Frontends in der ersten Ausführungsform mit einer im Innenbereich verlaufenden Nut,
1b eine vergrößerte Darstellung der Nut aus dem Bereich A in 1a,
1c eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Rahmenelements der ersten Ausführungsform,
2 eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen HF-Frontends in der ersten Ausführungsform mit einer im Außenbereich verlaufenden Nut,
3 eine schematisierte seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen HF-Frontends in der zweiten Ausführungsform.
In der 1a ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen HF-Frontends (z. B. Sende-/Empfangsmodul) dargestellt. Es zeigt zwei übereinander gestapelte Substrate 1, 2, welche jeweils (mindestens) ein Bauelement 3, 4, z. B. Verstärker, Phasenschieber, Amplitudensteller, Sende-Empfangsweiche (Zirkulator), Steuerelektronik (z. B. anwenderspezifische integrierte Schaltungen, ASIC oder FPGA) oder Antennenelement tragen. Jedes Substrat 1, 2 weist eine, zweckmäßig entlang des Umfangs eines Substrats verlaufende Nut 7. In diese Nut 7 ist ein (vorteilhafterweise metallisches oder aus Kunststoff mit äußerer Metallisierung) Rahmendichtelement 5 (1c) eingebracht. Dieses Rahmenelement 5 greift dabei in die Nuten 7 der beiden benachbarten Substrate 1, 2 ein. Das Rahmenelement 5 wird zweckmäßig in die Nuten gelötet oder geklebt (siehe Kontaktflächen 9 in 1b).
Die Höhe H des Rahmenelements 5 ist zweckmäßig so gewählt, dass zwischen den beiden Substraten 1, 2 ein Spalt S entsteht. Die Höhe H des Rahmenelements 5 ist der Größe des Spalts S angepaßt, der sich durch das Aufschmelzen der Lotkugeln zur elektrischen und thermischen Verbindung der benachbarten Substrate 1, 2 ergibt. Eine elektrische Verbindung zwischen den Lotkugeln 6 und dem Rahmenelement 5 ist zu vermeiden, ansonsten könnte es zu einem elektrischen Kurzschluss und somit Ausfall des HF-Frontends führen.
1b zeigt eine Anordnung mit dem an den Kontaktflächen 9 eingelöteten Rahmenelement 5 im Innenbereich zweier Modulsubstrate 1, 2. Die Anordnung realisiert eine hermetische Dichtigkeit für den Innenbereich der benachbarten Modullagen 1, 2. 1a zeigt weiter, dass durch das verwendete Rahmenelement 5 ein offener Innenraum I zwischen den beiden Bauteilen 3, 4 der benachbarten Substrate 1, 2 gebildet wird. Die Lotkugeln 6 befinden sich im Außenbereich und sind somit vorteilhaft für elektrische Messungen zugänglich (z. B. nach der Fertigstellung der Module zur Prüfung der elektrischen Funktion der einzelnen Modullagen). Nachteilig ist für diese Anordnung die Möglichkeit von Verschmutzungen in diesem Verbindungsberich, der zur Beeinträchtigung der elektrischen Funktion oder Ausfall führen könnte. Dies kann durch entsprechende umwelttechnische Randbedingungen (z. B. Luftfilter) verhindert werden.
2 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen HF-Frontend entsprechend dem Bereich A in 1a, mit dem Unterschied, dass die Nut 7 im Außenbereich der Substrate 1, 2 verläuft, d. h. dem Innenbereich I abgewandt. An den dargestellte Kontaktflächen 9 wird dann das Rahmenelement 5 im Außenbereich zweier Modulsubstrate 1, 2 eingelötet. Diese Anordnung realisiert eine hermetische Dichtigkeit für den Innenbereich I der benachbarten Substrate 1,2 (Modullagen). Die Lotkugeln 6 befinden sich im geschützten Innenbereich und sind somit nicht für nachträgliche elektrische Messungen zugänglich. Vorteilhaft ist der komplette Modulaufbau und die integrierten Komponenten, da eine vollständige hermetische Dichtigkeit realisiert wird. Zusätzliche umwelttechnsiche Randbedingungen sind nicht erforderlich.
In der 3 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen HF-Frontends dargestellt. Entsprechend 1 sind jeweils gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Ausführungsform in 3 unterscheidet sich von den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen dadurch, dass kein offenes Rahmenelement verwendet wird, sondern ein geschlossenes Deckenelement 8 (z. B. metallischer Deckel).
Das Deckenelement 8 zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass der jeweilige Innenraum eines Modulsubstrates für sich geschlossen und somit hermetisch dicht ist. Zudem wird der Innenraum 1 der benachbarten Substrate 1, 2 voneinander getrennt und somit die elektromagnetische Verkopplung der Bauelemente auf den verschiedenen Modulsubstraten vermieden. Die Deckenelemente 8 können z. B. dünne Metallstreifen sein, welche mittels konventioneller Fertigungsmethoden (z. B. Löten oder Kleben an den Kontaktflächen 9) in die Nuten 7 der Substrate 1, 2 eingelötet werden. Die zweite Ausführungsform der Erfindung bietet neben der hermetischen Dichtigkeit der einzelnen Substrate weitere Vorteile wie z. B.

– elektrische Vortests mit den verschlossenen Substraten vor der elektrischen Verbindung der einzelnen Substrate mittels der Lotkugeln,
– Reparaturmöglichkeiten nach der Entlötung der Lotkugeln durch Austausch von einzelnen Substraten,
– einfache Modernisierung der einzelnen Substrate durch Ersatz dieser Substrate mit verbesserten integrierten Bauteilen, z. B. aufgrund neuer Technologien entstandener Schaltungen innerhalb der integrierten Bauteile,
– modulare Antennenstrukturen durch die Kombination von standardisierten und applikationsabhängigen Modulsubstraten.
– Modulare Modulstruktur, die durch Zusammenstellung geeigneter Modulsubstrate Sende-/Empfangsmodule, Sendemodule oder Empfangsmodule ermöglicht. Zudem kann das oberste Modulsubstrat mit integriertem Strahlerelement je nach Anwendung im Gesamtmodul integriert oder weggelassen werden.

Claims

HF-Frontend in Mehrlagenstruktur umfassend elektronische Bauelemente (3, 4), wobei die Mehrlagenstruktur mehrere übereinander gestapelte, die Bauelemente (3, 4) tragende Substrate (1, 2) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass in den Substraten (1, 2) Nuten (7) ausgeführt sind und zwischen den Substraten (1, 2) Dichtelemente (5, 8) vorhanden sind, welche in die Nuten (7) eingreifen und mit den Substraten (1, 2) miteinander verlötet sind.
HF-Frontend nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H) der Dichtelemente (5, 8) derart gewählt ist, dass zwischen den Substraten (1, 2) ein Spalt (S) entsteht, da zur Einbringung von Lötmittel ausgebildet ist.
Sende-/Empfangsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Spalt (S) Lotkugeln (6) eingebracht sind.
Sende-/Empfangsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (7) in den Substraten (1, 2) umlaufend ausgeführt sind.
Sende-/Empfangsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtelemente (5, 8) in die Nuten (7) eingelötet oder eingeklebt sind.
Sende-/Empfangsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (5) ein offenes Rahmenelement ist, welches in die Nuten (7) jeweils benachbarter Substraten (1, 2) eingreift, das Dichtelement (8) ein metallischer Deckel ist, der in die Nut (7) des jeweiligen Substrates (1 oder 2) eingreift.
Sende-/Empfangsmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelemente (8) ein geschlossenes Deckenelement ist.