DE102015113322B3

DE102015113322B3 - Hochfrequenzantenne, Hochfrequenzsubstrat mit Hochfrequenzantenne und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102015113322B3
Application number: DE102015113322.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Gottwald; Christian Rössle; Christian Dold; Dirk Gennermann
Original assignee: Schweizer Electronic AG
Current assignee: Schweizer Electronic AG
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2035-08-13
Also published as: CN107926108A; US10602606B2; US20180220526A1; CN107926108B; WO2017025542A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Hochfrequenzantenne (26, 26A) in einem Leiterstrukturelement (10) mit einer Schichtabfolge, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines starren Trägers (12) mit einer Unterseite (11) und einer Oberseite (13); Definieren eines Antennenzuordnungsabschnitts (14) auf dem starren Träger (12); Aufbringen mindestens einer elektrisch isolierenden Lage (17) mit einer Aussparung (15) derart, dass der Antennenzuordnungsabschnitt (14) freiliegt; Auflegen eines ein hochfrequenztaugliches Basismaterial (21) aufweisenden Hochfrequenzsubstrats (20, 20', 20'', 20A) über dem Antennenzuordnungsabschnitt (14) unter Ausbildung eines Hohlraumes (24) zwischen dem starren Träger (12) und dem Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'', 20A) Ausrichten und Fixieren des Hochfrequenzsubstrats (20, 20', 20'', 20A) gegenüber dem starren Träger (12); Laminieren des so vorbereiteten Schichtaufbaus derart, dass sich Harzmaterial der mindestens einen elektrisch isolierenden Lage (17) verflüssigt und das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'', 20A) unter Freilassung des Hohlraums (24) umschließt; Ausschneiden des Antennenzuordnungsabschnitts (14) aus dem starren Träger (12) von der außenliegenden (schichtaufbaufernen) Unterseite (11) des starren Trägers (12) her.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Hochfrequenzantenne, insbesondere einer Hochfrequenzantenne auf einem Hochfrequenzsubstrat, sowie eine verfahrensgemäß hergestellte Hochfrequenzantenne bzw. ein verfahrensgemäß hergestelltes, in einen Schichtaufbau eines Leiterstrukturelements einlaminiertes Hochfrequenzsubstrat.
Beschreibung des Standes der Technik
Insbesondere im Kfz-Bereich nimmt der Bedarf an kostengünstigen Hochfrequenz-Anwendungen und Radarschaltungen ständig zu. Als Radarschaltungen werden Sende- und/oder Empfangseinrichtungen zum Aussenden und/oder Empfangen von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Radarwellen, verstanden. Diese finden bspw. in selbstfahrenden Kfz-Konzepten im Zusammenhang mit Abstandhaltesystemen Anwendung.
Aus der DE 10 2009 026 550 A1 ist ein integrierter Schaltkreis mit einer Antennenanordnung bekannt, der ein Substrat mit einer integrierten Schaltung und einer an einer Oberfläche des Substrats angeordneten ersten Antennenschicht aufweist. Auf der Oberfläche des Substrats ist eine Trägerschicht angeordnet, die die erste Antennenschicht bedeckt, und auf der Trägerschicht ist eine zweite Antennenschicht in einem Bereich über der ersten Antennenschicht angeordnet. Die Trägerschicht ist unmittelbar auf der Oberfläche des Substrats und auf der ersten Antennenschicht angeordnet.
Aus der DE 10 2012 012 985 A1 ist eine elektrische Anordnung für Hochfrequenzanwendungen bekannt, die eine Mehrlagenleiterplatte mit einem darin eingebrachten elektronischen Bauelement umfasst. Das elektronische Bauelement ist mit einer flüssig aufgebrachten Polyimidschicht abgedeckt und mit der Leiterplattenlage verbunden. Eine als Hochfrequenzantenne auf der Polyimidschicht aufgebrachte Leiterbahn ist durch eine weitere Polyimidschicht abgedeckt und somit gegen Umwelteinflüsse und unerwünschte elektrische Kontaktierung isoliert.
Aus der US 7,830,301 B2 ist eine Antennenanordnung für Kfz-Radaranwendungen bekannt, die eine Leiterplatte mit einem in einer Kavität des Mehrschichtaufbaus der Leiterplatte angeordneten Mikrowellenmodul aufweist. Das Mikrowellenmodul ist mittels Versorgungsleitungen mit Antennenfeldern verbunden, die in nach außen offenen Vertiefungen des Mehrschichtaufbaus der Leiterplatte angeordnet sind. Elektronische Bauelemente sind auf einer gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte angeordnet.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird demgegenüber ein Verfahren zum Herstellen einer Hochfrequenzantenne in einem Leiterstrukturelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein in einen Schichtaufbau eines Leiterstrukturelements einlaminiertes Hochfrequenzsubstrat mit den Merkmalen des Anspruchs 18 vorgeschlagen.
Der Erfindungsgedanke sieht vor, im Schichtaufbau eines Leiterstrukturelements ein Hochfrequenzsubstrat einzubringen, das eine Antennenstruktur aufweist, und nach dem Laminieren und Bearbeiten des Schichtaufbaus einen Antennenzuordnungsabschnitt aus der Außenlage des Trägersubstrats auszuschneiden. Dies ermöglicht eine unkomplizierte Ver- und Bearbeitung des Schichtaufbaus während und nach dem Laminieren, da das empfindliche Hochfrequenzsubstrat zunächst vollständig eingebettet ist. Zwischen dem Hochfrequenzsubstrat und dem Trägersubstrat ist ein Hohlraum vorgesehen, der das Ausschneiden des Antennenzuordnungsabschnitts erleichtert. Die Ausbildung des Hohlraums kann durch eine Fließbarriere erzielt werden, die ein Einfließen von verflüssigtem Harzmaterial während des Laminierens in den Bereich des Antennenzuordnungsabschnitts verhindert. Die Fließbarriere kann auch als Auflageelement für das Hochfrequenzsubstrat dienen. Die Antennenstruktur kann entweder direkt auf dem Hochfrequenzsubstrat aufgebracht sein oder sie kann bspw. an einem auf dem Hochfrequenzsubstrat bestückten Bauelement ausgebildet sein.
Die Abmessungen und das Design des Hochfrequenzsubstrats und die Lage des Antennenzuordnungsabschnitts werden so gewählt, dass eine auf dem Hochfrequenzsubstrat ausgebildete Antennenstruktur derart dem Antennenzuordnungsabschnitt zugeordnet ist, dass bei ausgeschnittenem Antennenzuordnungsabschnitt eine weitgehend ungehinderte Emission bzw. Rezeption von HF-Wellen ermöglicht wird. Die Antennenstruktur kann sowohl auf der dem ausgeschnittenen Antennenzuordnungsabschnitt zugewandten als auch auf der abgewandten Seite des Hochfrequenzsubstrats (oder wie voranstehend erwähnt auf dem bestückten Bauelement/Chip) ausgebildet sein.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die 1 bis 12 veranschaulichen den erfindungsgemäßen Herstellungsprozess einer erfindungsgemäßen Hochfrequenzantenne in einem Leiterstrukturelement, wobei
1 in Seitenansicht ein Trägersubstrat zeigt,
2 das Trägersubstrat der 1 mit eingebrachter Vertiefung zeigt,
3 das Trägersubstrat der 2 mit aufgebrachter elektrisch isolierender Lage zeigt,
4 das Trägersubstrat der 3 mit aufgebrachtem Hochfrequenzsubstrat zeigt,
5 den Schichtaufbau der 4 mit einer alternativen Ausgestaltung des Hochfrequenzsubstrats zeigt,
5a den Schichtaufbau der 5 mit einer alternativen Ausgestaltung des Hochfrequenzsubstrats zeigt,
6 den Schichtaufbau der 5 mit einer alternativen Ausgestaltung des Auflageelements zeigt,
7 den Schichtaufbau der 5 mit einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Auflageelements zeigt,
8 und 9 den Schichtaufbau der 5 mit weiteren aufgebrachten Lagen vor dem Laminieren zeigen,
10 den Schichtaufbau der 9 nach dem Laminieren zeigt,
10a eine alternative Ausführungsform des Schichtaufbaus der 10 zeigt,
11 den Schichtaufbau der 10 beim Ausschneiden des Antennenzuordnungsabschnitts zeigt,
11a den Schichtaufbau der 10 beim Ausschneiden des Ausschneideabschnitts mit geradem versetztem Schnitt zeigt,
11b den Schichtaufbau der 10 beim Ausschneiden des Ausschneideabschnitts mit schrägem versetztem Schnitt zeigt und
12 den Schichtaufbau der 10 mit ausgeschnittenem Antennenzuordnungsabschnitt zeigt.
13 und 14 zeigen Varianten des Leiterstrukturelements der 12.
15 zeigt in seitlicher Ausschnittdarstellung eine Hohlleiterankopplung des Hochfrequenzsubstrats.
Ausführliche Beschreibung
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein starrer Träger 12 als Basismaterial bereitgestellt (1). Bei dem starren Träger 12 kann es sich bspw. um eine Kupferplatte bzw. eine kupferbeschichtete Platte handeln (bspw. eine kupferkaschierte Standardinnenlage). Der starre Träger 12 weist eine Unterseite 11 und eine Oberseite 13 auf.
In einem nächsten Schritt wird in dem starren Träger 12 auf dessen Oberseite 13 eine umlaufende Vertiefung 16 eingebracht, die einen Antennenzuordnungsabschnitt 14 definiert. Das Einbringen der Vertiefung 16 kann bspw. mittels Tiefenfräsen oder einer anderen geeigneten Methode erfolgen.
Anschließend wird – wiederum auf der Oberseite 13 des Trägers 12 – eine Lage 17 aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht, bei dem es sich bspw. um ein sogenanntes Prepreg-Material handeln kann (vgl. 3). Die elektrisch isolierende Lage 17 weist eine Aussparung 15 auf und wird derart aufgebracht, dass sowohl die umlaufende Vertiefung 16 als auch der durch die umlaufende Vertiefung 16 definierte Antennenzuordnungsabschnitt 14 freiliegen bzw. offenliegen.
Auf die elektrisch isolierende Lage 17 und oberhalb deren Aussparung 15 wird ein Hochfrequenzsubstrat 20 mit einem hochfrequenztauglichen Basismaterial 21 aufgebracht (vgl. 4). Hierbei kann es sich um einen – wie in der Darstellung der 4 – mit einem Bauelement (Chip) 30 bestückten Interposer handeln.
Wie aus der Darstellung der 4 ersichtlich, ist das Hochfrequenzsubstrat 20 über dem freiliegenden Antennenzuordnungsabschnitt 14 angeordnet. Das Hochfrequenzsubstrat 20 weist eine Oberseite 32 und eine Unterseite 28 auf, die jeweils mit einer Kupferbeschichtung versehen sind (dem Fachmann erschließt sich ohne weiteres, dass auch eine nur einseitige Cu-Beschichtung möglich ist). Mit dem Bezugszeichen 26 ist eine Stelle an der Unterseite 28 des Substrats 20 bezeichnet, an der die Kupferbeschichtung entfernt (bspw. weggeätzt) ist, um eine Antennenstruktur auszubilden. Typischerweise handelt es sich bei der Antennenstruktur um sogenannte Patchantennen, wie sie dem Fachmann aus dem Stand der Technik an sich bekannt sind. Die (in diesem Ausführungsbeispiel) an der Unterseite 28 des Hochfrequenzsubstrats 20 (d. h. die bei eingebrachtem Hochfrequenzsubstrat zu dem starren Träger weisende Seite) ausgebildete Antennenstruktur 26 kommt somit oberhalb des Antennenzuordnungsabschnitts 14 und beabstandet zu diesem zu liegen.
Bei dem Basismaterial 21 des Substrats 20 kann es sich bspw. um Polytetrafluorethylen (PTFE) bzw. PTFE-basierte Laminate (wie bspw. Rogers^® 3003) handeln, aber auch andere hochfrequenztaugliche bzw. hochfrequenzdurchlässige Materialien (d. h. Materialien, die eine Durchdringung von Hochfrequenzstrahlen bei einer geringeren Signaldämpfung gestatten, wie dies bei herkömmlichen Materialien der Fall ist) ist möglich.
Das Hochfrequenzsubstrat 20 der 4 weist eine durchgehende Bohrung (through hole) 34 auf, während in 5 eine Ausführungsform mit einem Hochfrequenzsubstrat 20 ohne durchgehende Bohrung dargestellt ist. Über die durchgehende Bohrung 34 ist eine Möglichkeit der elektrischen Verbindung zwischen der Antennenstruktur 26 auf der Unterseite 28 des Interposers bzw. Hochfrequenzsubstrats 20 mit der Oberseite 32 und somit des Chips 30 eröffnet. Grundsätzlich gibt es noch andere dem Fachmann an sich bekannte Möglichkeiten der Ankopplung, wie bspw. eine Hohlleiterankopplung, wie sie nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die 15 beschrieben wird.
Die beabstandete Anordnung des Hochfrequenzsubstrats 20 oberhalb des Antennenzuordnungsabschnitts 14 wird mittels eines Auflageelements erzielt. In dem Ausführungsbeispiel der 4 und 5 sind die Abmessungen der elektrisch isolierenden Schicht 17, der umlaufenden Vertiefung 16 und des Hochfrequenzsubstrats 20 derart gewählt, dass die elektrisch isolierende Lage 17 die umlaufende Vertiefung 16 umlaufend ”einrahmt” und ein an die umlaufende Vertiefung 16 angrenzender Abschnitt der elektrisch isolierenden Lage 17 als Auflageelement 22 für das sich in seinen Abmessungen über die umlaufende Vertiefung 16 erstreckende Hochfrequenzsubstrat 20 dient.
5a zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Variante, in der die Antennenstruktur nicht direkt auf dem Hochfrequenzsubstrat aufgebracht ist, sondern auf dem auf dem Hochfrequenzsubstrat bestückten Bauelement/Chip. Das Hochfrequenzsubstrat 20A weist eine durchgehende Ausnehmung 52 auf, über der das Bauelement 30A mit einer an dessen (zu der Ausnehmung 52 des Hochfrequenzsubstrats 20A weisenden) Unterseite ausgebildeten Antennenstruktur 26A aufgebracht ist. Als Fließbarriere gegen verflüssigtes Harz beim Laminieren ist zwischen dem Bauelement 30A und der Oberseite 32 des Hochfrequenzsubstrats 20A eine umlaufende Unterfüllung 37 vorgesehen. Eine HF-Abstrahlung der Antennenstruktur 26A ist somit durch die Ausnehmung 52 möglich, so dass in dieser Ausführungsform ggf. auf die Verwendung von hochfrequenztauglichem Basismaterial verzichtet werden kann.
Gemäß einem in 6 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel kann das Auflageelement 22' separat von der elektrisch isolierenden Lage 17' ausgebildet sein. Letztere ist dann mit einem größeren Abstand zu der umlaufenden Vertiefung 16 angeordnet, so dass zwischen der elektrisch isolierenden Lage 17' und der umlaufenden Vertiefung 16 ausreichend Platz für die Anordnung des Auflageelements 22' vorhanden ist. Das Auflageelement 22' erstreckt sich umlaufend um die umlaufende Vertiefung 16 und weist vorzugsweise die gleiche geometrische Form (kreisrund, oval, rechteckig usw.) auf; es umgibt die umlaufende Vertiefung 16 ringförmig (ringförmig im Sinne einer umlaufenden geschlossenen Struktur, die nicht notwendigerweise kreisförmig ist).
Bei der in der 6 dargestellten Ausführungsvariante handelt es sich bei dem Auflageelement 22' bspw. um eine ringförmige Anordnung eines schnellhärtenden Klebstoffes, wie bspw. ein Epoxidharzkleber.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Anbringung des Hochfrequenzsubstrats 20' oberhalb des Antennenzuordnungsabschnitts 14, bei dem das Auflageelement 22'' zum Auflegen des Hochfrequenzsubstrats 20' und zum Erzielen einer Beabstandung zu dem Antennenzuordnungsabschnitt 14 durch beschichtete Kontaktflächen gebildet ist, bspw. durch eine Nickel-Gold-Beschichtung, auf der das Hochfrequenzsubstrat 20 mittels eines Ultraschall-Reibschweißverfahrens angebracht werden kann. Auf diese Art lässt sich, wie dies aus der Darstellung der 7 ersichtlich ist, ein geringerer Abstand zu dem starren Träger 12 realisieren. Dies ist in der Darstellung der 7 dadurch erkennbar, dass sich die Oberfläche 32 des Hochfrequenzsubstrats 20' nicht auf der gleichen Höhe befindet wie die Oberfläche einer umgebenden Lage 18.
Auch andere Materialien als die beschriebene Ni-Au-Beschichtung, die für die Durchführung eines Ultraschall-Reibschweißverfahrens geeignet sind, können als Auflageelement Verwendung finden. Die Oberfläche des starren Trägers kann an den Stellen, an denen das Auflageelement aufliegt, ebenfalls eine entsprechende Beschichtung aus geeignetem Material aufweisen. Das Auflageelement kann separat ausgebildet sein, es kann aber auch an dem starren Träger und/oder dem aufzulegenden Hochfrequenzsubstrat ausgebildet sein.
Dem Auflageelement 22, 22', 22'' kommt eine Doppelfunktion zu: Zunächst dient es dazu, das Substrat 20, 20' in beabstandeter Weise auf dem Träger 12 aufzubringen und anschließend in seiner Lage zu fixieren, um einen weiteren präzisen Schichtaufbau (als nächstes z. B. die bereits angesprochene umgebende Lage 18) zu ermöglichen. Darüber hinaus dient das Auflageelement 22, 22', 22'' als Fließbarriere bzw. Hindernis, um im nachfolgenden Schritt des Laminierens die Ausbreitung von verflüssigtem Harz in den Bereich des Antennenzuordnungsabschnitts 14 zu verhindern, wie nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird.
Der Schritt des Fixierens des Substrats 20, 20' wird bspw. durch eine gezielte Erwärmung des Randbereichs des Substrats 20, 20' oberhalb des Auflageelements 22, 22', 22'' erfolgen. In den Ausführungsbeispielen der 4, 5 und 6 erfolgt zunächst eine Verflüssigung des als Auflageelement dienenden Bereichs, gefolgt von einer Erhärtung. Im Falle des Ausführungsbeispieles der 4 und 5 verflüssigt sich durch die Erwärmung der als Auflageelement 22 dienende Bereich der Prepregschicht 17, im Falle des Ausführungsbeispieles der 6 der als Auflageelement 22' dienende Klebstoff, um anschließend in beiden Fällen unter Ausbildung einer festen Verbindung wieder zu erhärten. Zusätzlich kann eine Druckbeaufschlagung des Randbereichs des Substrats 20, 20' erfolgen. Im Falle des Ausführungsbeispieles der 7 wird der Randbereich des Substrats 20, 20' einem Ultraschall-Reibschweißverfahren unterzogen.
Nach dem Schritt des Fixierens wird eine das Hochfrequenzsubstrat 20, 20' seitlich umgebende weitere Lage 18 aufgelegt (bei dünnen Substraten kann auf diese Lage ggf. verzichtet werden). Selbstverständlich kann diese Lage auch bereits vor dem Schritt des Fixierens aufgebracht werden; allerdings bietet es sich an, die Lage erst nach dem Fixierschritt aufzulegen, um das Fixieren ohne räumliche Beeinträchtigung durch die zusätzliche Schicht durchführen zu können.
Schließlich wird der Schichtaufbau durch Aufbringen weiterer Teillagen 40, 42 (die Ausnehmungen zur Aufnahme des Chips 30 aufweisen) und vollflächiger Innenlagen 43, 44 vervollständigt (vgl. 8 und 9). Dabei handelt es sich je nach Bedarf um elektrisch isolierende Schichten (wie die Schichten 40 und 43) und/oder elektrisch leitende Schichten (wie die Schichten 42 und 44).
Der Schichtaufbau wird dann laminiert (vgl. 10), wodurch sich durch ein Verflüssigen des Prepregmaterials der elektrisch isolierenden Schichten (im dargestellten Ausführungsbeispiel die Schichten mit den Bezugszeichen 17, 40, 43) ein spaltfreies Füllen der Hohlräume ergibt. Dieses spaltfreie Füllen der Hohlräume mit dem während des Laminierens geschmolzenen Harzmaterial der elektrisch isolierenden Schichten endet – wie bereits voranstehend erwähnt – erfindungsgemäß an dem umlaufenden Auflageelement 22, 22', 22'', d. h. es findet eine spaltfreie Füllung aller Hohlräume bis auf den Bereich oberhalb des definierten Antennenzuordnungsabschnitt 14 statt.
Das umlaufende Auflageelement 22, 22', 22'' dient erfindungsgemäß als Fließbarriere, mit der Folge, dass der Antennenzuordnungsabschnitt 14 und der darüber befindliche Abstand zu dem Hochfrequenzsubstrat 20, 20' nicht gefüllt werden, so dass zwischen dem Antennenzuordnungsabschnitt 14 und dem Hochfrequenzsubstrat 20, 20' ein Hohlraum 24 gebildet wird.
Unter einem Hohlraum im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Bereich oder ein Raum zu verstehen, der durch die Unterseite 28 des HF-Substrats 20, die Oberseite 13 des starren Trägers 12 und das umlaufende Auflageelement 22, 22', 22'' gebildet ist und der sich dadurch auszeichnet, dass er beim Laminieren von dem Eindringen flüssigen Harzes freigehalten wird. Die Folge ist, dass die beiden übereinanderliegenden Lagen des starren Trägers 12 und des HF-Substrats 20 im Bereich des Hohlraums 24 keine Verbindung eingehen (also nicht durch Harz verklebt oder in anderer Weise miteinander verbunden sind); die beiden Lagen liegen lediglich übereinander. Dies schließt nicht aus, dass die beiden Lagen sich berühren, was aufgrund der geringen Höhe der Zwischenschicht 17 und des Auflageelements 22, 22', 22'' insbesondere nach dem Laminieren des Schichtaufbaus der Fall sein kann.
Das so erfindungsgemäß hergestellte Zwischenprodukt eines Mehrschichtaufbaus stellt eine geschlossene Anordnung dar, die eine Weiterver- bzw. -bearbeitung ohne Beeinträchtigung des eingeschlossenen Interposers mit Hochfrequenzantenne gestattet. Dies erlaubt zum Beispiel die Verwendung einer anderen Oberflächenbeschichtung des Interposers als für den Rest der Leiterplattenoberfläche. So könnten die Cu-Leiterbahnen des Interposers z. B. mit Silber beschichtet sein, während das Kupfer der Außenlagen und der Durchkontaktierungen mit chemisch abgeschiedenem Zinn beschichtet wird. Die Erfindung führt zu einer vereinfachten Prozessfolge für solche Mischoberflächen, für die sonst ein wechselseitiges Aufbringen und Ablösen von Abdeckschichten erforderlich ist. Bspw. können nun – ohne besondere Rücksicht auf den Interposer bzw. das Substrat 20, 20' nehmen zu müssen – Durchbohrungen 46, 48 durch den Schichtaufbau eingebracht und anschließend einem (nasschemischen) Galvanisierungsprozess zur Cu-Beschichtung ihrer Oberflächen unterzogen werden (vgl. 10).
10a zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der anstelle der oberen elektrisch leitenden vollflächigen Innenlage 44 der Variante der 10 (die sozusagen einen ”Deckel” bildet) eine Kupferfolie 44' als obere Abschlusslage vorgesehen ist. Der Chip 30 ist mittels kupfergefüllter Sacklöcher 31 an die Kupferfolie 44' ankontaktiert. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere zum Anbinden an einen (nicht dargestellten) Kühlkörper mit der Lage der Kupferfolie 44', um so eine verbesserte Abfuhr der entstandenen Wärme zu erzielen (die Anbindung des Bauelements an eine Kupferfläche führt zu einer verbesserten Wärmespreizung und damit zu geringeren Maximaltemperaturen). Das Bohren von Löchern durch die Kupferfolie und deren Befüllung mit Kupfer oder anderem leitendem Material gestaltet sich bei Verwendung einer Kupferfolie als äußere Lage einfacher, als bei Verwendung eines Laminats (”Deckel” 44). Mit dem ”Deckel” ist eine rückseitige Ankontaktierung schwierig, wenn nicht unmöglich. Aus Symmetriegründen kann – wie dies in der 10a veranschaulicht ist – an der Unterseite 11 des starren Trägers 12 ebenfalls eine Kupferfolie 45 vorgesehen sein (mit zwischenliegender Harzschicht 19). Selbstverständlich können je nach Bedarf und Designanforderungen noch weitere Lagen auflaminiert werden.
In einem nächsten Verfahrensschritt wird der dem Antennenzuordnungsabschnitt 14 entsprechende Teil des starren Trägers 12 ausgeschnitten. Dies erfolgt bspw. durch Tiefenfräsen. Das Ausschneiden erfolgt von der Unterseite 11 des starren Trägers 12 her, d. h. von der nach außen und von dem Mehrschichtaufbau weg weisenden Seite, wie dies durch die Pfeile in der Darstellung der 11 veranschaulicht ist (im Falle der Ausführungsform der 10a zusätzlich durch die weiteren Lagen der Kupferfolie 45 und der Harzschicht 19).
Das Ausschneiden kann z. B. – wie dargestellt – entlang der Rückseite der umlaufenden Vertiefung 16 erfolgen. Eine Ansteuerung der entsprechenden Koordinaten kann z. B. über dem Fachmann an sich bekannte Referenzmarkierungen erfolgen. Bei einem Ausschneiden entlang der Rückseite der umlaufenden Vertiefung 16 ergibt sich der Vorteil, dass mit geringer Schneid- bzw. Frästiefe gearbeitet werden kann, so dass die Gefahr einer Beeinträchtigung des Hochfrequenzsubstrats 20, 20' minimiert wird. Bei ausreichend präzisem Schneiden könnte auch an anderer Stelle geschnitten werden, oder es könnte auch auf die umlaufende Vertiefung 16 verzichtet werden.
In den 11a und 11b sind Varianten für das beschriebene Ausschneiden dargestellt. 11a zeigt ein gegenüber der Vertiefung 16 versetztes Tiefenfräsen. Der Versatz ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nach außen in Richtung der Außenkanten des starren Trägers 12 gewählt, könnte aber auch nach innen gewählt sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Versatz etwa die Hälfte des Durchmessers der Vertiefung (und auch der Fräsbreite). Durch den Versatz wird ein Ausschnitt mit einer abgesetzten Schulterrand erzeugt.
11b zeigt als weitere Ausschneidevariante ein schräges Ausschneiden unter einem Winkel kleiner 90° zu einer Erstreckungsebene des starren Trägers 12 (während die Fräsrichtung in den Varianten der 11 und 11a im wesentlichen senkrecht zu der Erstreckungsebene des starren Trägers 12 ist. Dadurch können geneigte Ausschnittswandungen erzielt werden.
Aufgrund des Hohlraums 24 zwischen dem Antennenzuordnungsabschnitt 14 und dem Hochfrequenzsubstrat 20, 20' fällt der ausgeschnittene Antennenzuordnungsabschnitt 14 einfach heraus, da er keine Verbindung zu einem umgebenden Bauteil oder zu einer umgebenden Lage mehr hat, bzw. er kann sehr einfach herausgenommen werden (vgl. die Darstellung der 11 und 12). Als Folge entsteht ein Ausschnitt 50 in dem starren Träger 12, innerhalb dessen das Hochfrequenzsubstrat teilweise freiliegend angeordnet ist.
12 zeigt das Ausführungsbeispiel mit einem Substrat 20 mit Durchbohrung 34 und des weiteren mit einer von der Oberfläche auf den Interposer bzw. das Substrat 20 reichenden Sackbohrung 47 zur Durchkontaktierung. Diese kann wie voranstehend im Zusammenhang mit den Durchbohrungen 46 und 48 durch den gesamten Schichtaufbau nach dem Laminieren und vor dem Ausschneiden des Antennenzuordnungsabschnitts 14 eingebracht und galvanisiert werden.
Das Ausführungsbeispiel der 12 veranschaulicht des weiteren eine Abwandlung einer Durchbohrung durch den Schichtaufbau, nämlich eine Durchbohrung 48', die auch durch das Substrat 20 hindurchgeht.
Das Leiterstrukturelement der 12 umfasst acht leitende Lagen, nämlich je zwei Kupferlagen der elektrisch leitenden Schichten 12, 18, 42 und 44.
In den 13 und 14 sind zu Zwecken der Veranschaulichung der sich mit der Erfindung eröffnenden Möglichkeiten Varianten mit sechs (13) bzw. vier (14) leitenden Lagen dargestellt, bei denen entsprechend kupferbeschichtete Schichten durch nichtleitende Schichten ersetzt wurden. So ist bspw. in der Variante der 13 die den Chip 30 umgebende Schicht eine nichtleitende Schicht 42', und in der Variante der 14 ist zusätzlich die den Interposer 20 umgebende Schicht eine nichtleitende Schicht 18'. Es erschließt sich dem Fachmann beim Design eines Leiterstrukturelements ohne weiteres, welche Schichtabfolge für die geplante Anwendung die geeignete ist.
Um zu verhindern, dass während des Schritts des Laminierens flüssiges Harz durch die Substrat-Durchbohrung 34 (wie sie in den Ausführungsformen der 12 bis 14 vorgesehen ist) in den Hohlraum 24 dringt, kann die Durchkontaktierung entweder als Sackloch ausgeführt sein, (bspw. mittels Laserbohren), oder als Durchbohrung, die während der Herstellung des Antennensubstrats wieder verschlossen und ggf. überplattiert wird.
Schließlich ist in 15 ein Ausführungsbeispiel mit auf der Oberseite (d. h. der dem Antennenzuordnungsabschnitt 14 abgewandten Seite) des Interposers 20'' ausgebildeter Antenne 35 dargestellt. Für die Einkopplung der Hochfrequenzsignale ist ein Hohlleiter 60 vorgesehen. Die Darstellung der 15 verzichtet der besseren Übersichtlichkeit halber auf die Darstellung weiterer Schichten des Leiterstrukturelements, sondern zeigt nur den bestückten Interposer 20'' und im Ausschnittdetail vergrößert den Hohlleiter 60 mit darüber angeordneter Antenne 35.
Der Hohlleiter 60 ist durch eine auf der Unterseite 28 des Interposers 20'' eingebrachte Sackbohrung 62 gebildet, deren Innenwandung 64 über eine definierte Länge bzw. Tiefe (bspw. durch Galvanisieren) mit Kupfer beschichtet ist. Oberhalb der Sackbohrung 62 ist die leitende Schicht der Oberseite 32 des Interposers bzw. Substrats 20'' entfernt (bspw. durch Ätzen), so dass das Basismaterial 21 des Substrats freiliegt (Bezugszeichen 33). Oberhalb der Sackbohrung 62 ragt die leitende Schicht der Oberseite 32 als Antenne 35 mit definierter Länge und Geometrie (letzteres in der Seitenansicht der 15 nicht erkennbar) über die Sackbohrung 62 und dient in an sich bekannter Weise zur Emission bzw. Rezeption von Signalen durch den Hohlleiter.
Abschießend ist festzustellen, dass die in den Figuren dargestellten diversen Varianten von leitenden und nichtleitenden Schichten, Tiefenfräsungen, Auflageelementen, Sackbohrungen, Tiefenbohrungen und Durchbohrungen usw. für den Fachmann ohne weiteres erkennbar beliebig kombiniert werden können.
Die Erfindung umfasst auch die folgenden Aspekte:

1. Verfahren zum Herstellen eines Leiterstrukturelements (10) mit einer ggf. ein hochfrequenztaugliches Basismaterial (21) umfassenden Schichtabfolge, mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen eines starren Trägers (12) mit einer Unterseite (11) und einer Oberseite (13), – Definieren eines Antennenzuordnungsabschnitts (14) auf dem starren Träger (12), – Aufbringen mindestens einer elektrisch isolierenden Lage (17) mit einer Aussparung (15) derart, dass der Antennenzuordnungsabschnitt (14) freiliegt, – Auflegen eines ggf. ein hochfrequenztaugliches Basismaterial (21) aufweisenden Hochfrequenzsubstrats (20, 20', 20'') über dem Antennenzuordnungsabschnitt (14) unter Ausbildung eines Hohlraumes (24) zwischen dem starren Träger (12) und dem Hochfrequenzsubstrat (20), – Ausrichten und Fixieren des Hochfrequenzsubstrats (20, 20', 20'') gegenüber dem starren Träger (12), – Laminieren des so vorbereiteten Schichtaufbaus derart, dass sich Harzmaterial der mindestens einen elektrisch isolierenden Lage (17) verflüssigt und das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'') unter Freilassung des Hohlraums (24) umschließt, – Ausschneiden des Antennenzuordnungsabschnitts (14) aus dem starren Träger (12) von der außenliegenden (schichtaufbaufernen) Unterseite (11) des starren Trägers (12) her.
2. Verfahren nach Aspekt 1, bei dem der Schritt des Definierens des Antennenzuordnungsabschnitts (14) das Einbringen einer den Antennenzuordnungsabschnitt (14) definierenden umlaufenden Vertiefung (16) auf der Oberseite (13) des starren Trägers (12) umfasst.
3. Verfahren nach Aspekt 1 oder 2, bei dem der Schritt des Definierens des Antennenzuordnungsabschnitts (14) das Anbringen von Referenzmarkierungen umfasst.
4. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 3, bei dem der Schritt des Definierens des Antennenzuordnungsabschnitts (14) das Anbringen einer umlaufenden Fließbarriere gegen verflüssigtes Harz während des Laminierens umfasst.
5. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 4, bei dem der Schritt des Auflegens des Hochfrequenzsubstrats (20, 20', 20'') das Vorsehen eines Auflageelements (22, 22', 22'') auf der Oberseite (13) des starren Trägers (12) umfasst, wobei das Auflageelement (22, 22', 22'') den Antennenzuordnungsabschnitt (14) umlaufend umgibt und zur Auflage des Hochfrequenzsubstrats (20, 20', 20'') dient.
6. Verfahren nach Aspekt 5, bei dem das Auflageelement (22, 22', 22'') auch zum Fixieren des Hochfrequenzsubstrats (20, 20', 20'') gegenüber dem starren Träger (12) dient.
7. Verfahren nach Aspekt 5 oder 6, bei dem das Auflageelement (22, 22', 22'') auch als Fließbarriere gegen verflüssigtes Harz während des Laminierens dient.
8. Verfahren nach einem der Aspekte 5 bis 7, bei dem das Auflageelement (22) durch einen vorragenden Abschnitt der elektrisch isolierenden Lage (17) gebildet wird und der Schritt des Fixierens durch Wärmeeinwirkung entlang einer Umrandung der umlaufenden Vertiefung (16) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Aspekte 5 bis 8, bei dem das Auflageelement (22') durch einen schnell aushärtenden Klebstoff gebildet ist.
10. Verfahren nach einem der Aspekte 5 bis 9, bei dem das Auflageelement (22'') ein zur Durchführung eines Ultraschall-Reibschweißvorgangs geeignetes Element ist und der Schritt des Fixierens durch einen Ultraschall-Reibschweißvorgang erfolgt.
11. Verfahren nach Aspekt 10, bei dem das Auflageelement (22'') ein Ni-Au-beschichtetes Element ist.
12. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 11, bei dem das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'') eine Bauelementseite (32) und eine Trägerseite (28) umfasst und das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'') mit der Trägerseite (28) zu dem starren Träger (12) weisend aufgebracht wird.
13. Verfahren nach Aspekt 12, bei dem das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'') auf seiner Bauelementseite (32) mit einem elektronischen Bauelement (30) bestückt ist.
14. Verfahren nach Aspekt 12 oder 13, bei dem das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'') auf seiner Trägerseite (28) eine Antennenstruktur (26) aufweist.
15. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 14, bei dem vor dem Schritt des Laminierens eine das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'') seitlich umgebende weitere Lage (18) aufgelegt wird.
16. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 15, bei dem vor dem Schritt des Laminierens weitere Lagen (40, 42, 43, 44) zur Vervollständigung des Schichtaufbaus aufgebracht werden.
17. Leiterstrukturelement (10) mit einer Hochfrequenzantenne (26), hergestellt nach einem Verfahren der Aspekte 1 bis 16.
18. Leiterstrukturelement (10) mit einem in einen Schichtaufbau einlaminierten Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20''), das eine mit mindestens einem Bauelement (30) bestückte Bauelementseite (32) und eine Trägerseite (28) mit einer Hochfrequenzantenne (26) aufweist, wobei die Hochfrequenzantenne (26) zu einer durch einen starren Träger (12) gebildeten Randlage weisend innerhalb eines Ausschnitts (50) des starren Trägers (12) freiliegend angeordnet ist und das Hochfrequenzsubstrat (20) bis zu einem Randbereich um den Ausschnitt (50) mit Harzmaterial umschlossen ist.
19. Leiterstrukturelement (10) nach Aspekt 18, bei dem das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'') vor dem Laminieren mittels einer den Ausschnitt (11) umgebenden Fixierung (23) ortsfest an dem starren Träger (12) angebracht ist und die Fixierung eine Barriere gegen den das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'') umschließenden Harzfluss beim Laminieren ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Hochfrequenzantenne (26, 26A) in einem Leiterstrukturelement (10) mit einer umfassenden Schichtabfolge, mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen eines starren Trägers (12) mit einer Unterseite (11) und einer Oberseite (13), – Definieren eines Antennenzuordnungsabschnitts (14) auf dem starren Träger (12), – Aufbringen mindestens einer elektrisch isolierenden Lage (17) mit einer Aussparung (15) derart, dass der Antennenzuordnungsabschnitt (14) freiliegt, – Auflegen eines Hochfrequenzsubstrats (20, 20', 20'', 20A) über dem Antennenzuordnungsabschnitt (14) unter Ausbildung eines Hohlraumes (24) zwischen dem starren Träger (12) und dem Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'', 20A), – Ausrichten und Fixieren des Hochfrequenzsubstrats (20, 20', 20'', 20A) gegenüber dem starren Träger (12), – Laminieren des so vorbereiteten Schichtaufbaus derart, dass sich Harzmaterial der mindestens einen elektrisch isolierenden Lage (17) verflüssigt und das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'', 20A) unter Freilassung des Hohlraums (24) umschließt, – Ausschneiden des Antennenzuordnungsabschnitts (14) aus dem starren Träger (12) von der außenliegenden (schichtaufbaufernen) Unterseite (11) des starren Trägers (12) her.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Definierens des Antennenzuordnungsabschnitts (14) das Einbringen einer den Antennenzuordnungsabschnitt (14) definierenden umlaufenden Vertiefung (16) auf der Oberseite (13) des starren Trägers (12) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Definierens des Antennenzuordnungsabschnitts (14) das Anbringen von Referenzmarkierungen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schritt des Definierens des Antennenzuordnungsabschnitts (14) das Anbringen einer umlaufenden Fließbarriere gegen verflüssigtes Harz während des Laminierens umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schritt des Auflegens des Hochfrequenzsubstrats (20, 20', 20'', 20A) das Vorsehen eines Auflageelements (22, 22', 22'') auf der Oberseite (13) des starren Trägers (12) umfasst, wobei das Auflageelement (22, 22', 22'', 20A) den Antennenzuordnungsabschnitt (14) umlaufend umgibt und zur Auflage des Hochfrequenzsubstrats (20, 20', 20'', 20A) dient.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Auflageelement (22, 22', 22'', 20A) auch zum Fixieren des Hochfrequenzsubstrats (20, 20', 20'', 20A) gegenüber dem starren Träger (12) dient.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das Auflageelement (22, 22', 22'', 20A) auch als Fließbarriere gegen verflüssigtes Harz während des Laminierens dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem das Auflageelement (22) durch einen vorragenden Abschnitt der elektrisch isolierenden Lage (17) gebildet wird und der Schritt des Fixierens durch Wärmeeinwirkung entlang einer Umrandung der umlaufenden Vertiefung (16) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem das Auflageelement (22') durch einen schnell aushärtenden Klebstoff gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem das Auflageelement (22'') ein zur Durchführung eines Ultraschall-Reibschweißvorgangs geeignetes Element ist und der Schritt des Fixierens durch einen Ultraschall-Reibschweißvorgang erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Auflageelement (22'') ein Ni-Au-beschichtetes Element ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'', 20A) eine Bauelementseite (32) und eine Trägerseite (28) umfasst und das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'', 20A) mit der Trägerseite (28) zu dem starren Träger (12) weisend aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'', 20A) auf seiner Bauelementseite (32) mit einem elektronischen Bauelement (30, 30A) bestückt ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'') auf seiner Trägerseite (28) eine Antennenstruktur (26) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Hochfrequenzsubstrat (20A) unterhalb des elektronischen Bauelements (30A) eine durchgehende Ausnehmung (52) aufweist und das elektronische Bauelement (30A) auf einer zu der Ausnehmung (52) weisenden Unterseite eine Antennenstruktur (26A) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem zwischen dem elektronischen Bauelement (30A) und der Bauelementseite (32) des Hochfrequenzsubstrats (20A) eine umlaufende Unterfüllung (37) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem vor dem Schritt des Laminierens eine das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'', 20A) seitlich umgebende weitere Lage (18) aufgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem vor dem Schritt des Laminierens weitere Lagen (40, 42, 43, 44) zur Vervollständigung des Schichtaufbaus aufgebracht werden.
Hochfrequenzantenne (26) auf einem hochfrequenztauglichen Basismaterial eines Leiterstrukturelements (10), hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 18.
Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'', 20A), das eine mit mindestens einem Bauelement (30, 30A) bestückte Bauelementseite (32) und eine Trägerseite (28) sowie eine Hochfrequenzantenne (26, 26A) aufweist und in einen Schichtaufbau eines Leiterstrukturelements (10) einlaminiert ist, wobei die Hochfrequenzantenne (26, 26A) zu einer durch einen starren Träger (12) des Leiterstrukturelements (10) gebildeten Randlage weisend innerhalb eines Ausschnitts (50) des starren Trägers (12) freiliegend angeordnet ist und das Hochfrequenzsubstrat (20) bis zu einem Randbereich um den Ausschnitt (50) mit Harzmaterial umschlossen ist.
Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'', 20A) nach Anspruch 20, das vor dem Laminieren des Leiterstrukturelements (10) mittels einer den Ausschnitt (11) umgebenden Fixierung (23) ortsfest an dem starren Träger (12) angebracht ist und die Fixierung eine Barriere gegen den das Hochfrequenzsubstrat (20, 20', 20'', 20A) umschließenden Harzfluss beim Laminieren ist.