DE102017112894A1

DE102017112894A1 - Hochfrequenz-Bauelement, insbesondere für Radar-Anwendungen

Info

Publication number: DE102017112894A1
Application number: DE102017112894.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Winkler
Original assignee: Silicon Radar GmbH
Current assignee: Indie Semiconductor FFO GmbH
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2018-12-13
Anticipated expiration: 2037-06-13
Also published as: DE102017112894B4

Abstract

Ein Hochfrequenz-Bauelement umfasst einen Halbleiterkörper, der für elektromagnetische Hochfrequenzsignale durchlässig ist und auf einer Vorderseite eine integrierte Hochfrequenz-Schaltung aufweist, die mindestens eine integrierte Antenne enthält. Ein dielektrischer Wellenleiter hat ein erstes Längsende, das mit dem Halbleiterkörper auf einer der Vorderseite entgegengesetzten Rückseite des Halbleiterkörpers in direktem Kontakt oder über eine Zwischenlage aus einem dielektrischen Zwischenlagematerial fest verbunden ist und dessen wellenführendes dielektrisches Wellenleitermaterial im festen Aggregatzustand ist und die eingehenden oder ausgehenden elektromagnetischen Hochfrequenzsignale entlang einer Längserstreckung des Wellenleiters leitet. Der dielektrische Wellenleiter hat ein zweites Längsende, das von der Rückseite des Halbleiterkörpers absteht, und ist ausgebildet, die von der integrierten Antenne her nach Durchstrahlung des Halbleiterkörpers am ersten Längsende eingekoppelten und durch das Wellenleitermaterial geführten, ausgehenden Hochfrequenzsignale nach Extern abzustrahlen, oder die von Extern am zweiten Längsende eingekoppelten elektromagnetischen Hochfrequenzsignale zum ersten Längsende hin zu leiten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenz-Bauelement.
Traditionell werden in Systemen der Hochfrequenztechnik Wellenleiter eingesetzt, die entweder als Hohlleiter ausgebildet sind oder als Koaxialleitungen. Bei den im Rahmen dieser Anmeldung betrachteten Hochfrequenzsignalen mit Frequenzen über 50GHz und bis in den Terahertz-Bereich hinein sind diese Wellenleiter sehr teuer und auch unflexibel sowie sperrig.
Dielektrische Wellenleiter werden daher an Bedeutung gewinnen, wenn geeignete Kopplungstechnologien zur Verfügung stehen. In bekannten Hochfrequenz-Bauelementen werden bisher unterschiedliche Methoden zur Ankopplung eingesetzt. Eine Schnittstelle zur Übertragung von Sub-Millimeterwellen zwischen einem Halbleiterchip und einem dielektrischen Wellenleiter ist beispielsweise in der Veröffentlichung US 2012/0068891 A1 beschrieben. Eine Kopplung zwischen dem Halbleiterchip und dem dielektrischen Wellenleiter erfolgt hier über eine auf einer Oberseite des Halbleiterchips angeordnete direktionale Antenne. Mittels Beamsteering-Methoden kann die direktionale Antenne den Hochfrequenzstrahl zu dem darüber angeordneten Wellenleiter lenken, so dass Hochfrequenzenergie effektiv in den Wellenleiter eingekoppelt wird.
Eine weitere Lösung ist in der Veröffentlichung Martin Geiger, Martin Hitzler, Johannes Iberle, Christian Waldschmidt: „A Dielectric Lens Antenna Fed by a Flexible Dielectric Waveguide At 160 GHz“, EuCAP Conference 2017. beschrieben. Hier wird das Hochfrequenzsignal vom Chip über einen Bond-Draht auf eine Leiterplatte verbunden und zu einem speziellen Koppler geführt. Dieser Koppler koppelt das Signal in einen dielektrischen Wellenleiter ein.
Die vorliegende Erfindung stellt sich gegenüber dem bekannten Stand der Technik die Aufgabe, ein Hochfrequenz-Bauelement mit einer Chip-Wellenleiter Kopplung für Hochfrequenzsignale über 30GHz und bis in den Terahertz-Bereich hinein anzugeben, die verlustarm ist und die mit wenig Aufwand herstellbar ist.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Hochfrequenz-Bauelement, umfassend:

- einen Halbleiterkörper mit folgenden Eigenschaften:
- - der Halbleiterkörper ist für elektromagnetische Hochfrequenzsignale durchlässig, die eine Frequenz von mindestens 30 GHz aufweisen;
- - der Halbleiterkörper weist auf einer Vorderseite des Halbleiterkörpers eine integrierte Hochfrequenz-Schaltung auf, die mindestens eine integrierte Antenne enthält und die ausgebildet ist, ausgehende elektromagnetische Hochfrequenzsignale zu erzeugen und über die integrierte Antenne in den Halbleiterkörper hinein abzustrahlen, oder eingehende elektromagnetische Hochfrequenzsignale nach Durchstrahlung des Halbleiterkörpers über die integrierte Antenne zu empfangen und zu verarbeiten;
- mindestens einen dielektrischen Wellenleiter mit folgenden Eigenschaften:
- - der dielektrische Wellenleiter hat ein erstes Längsende, das mit dem Halbleiterkörper auf einer der Vorderseite entgegengesetzten Rückseite des Halbleiterkörpers in direktem Kontakt oder über eine Zwischenlage aus einem dielektrischen Zwischenlagematerial fest verbunden ist;
- - der dielektrische Wellenleiter weist ein wellenführendes dielektrisches Wellenleitermaterial im festen Aggregatzustand auf, das geeignet ist, die eingehenden oder ausgehenden elektromagnetischen Hochfrequenzsignale entlang einer Längserstreckung des dielektrischen Wellenleiters zu leiten;
- - das dielektrische Wellenleitermaterial weist im Vergleich mit dem Halbleiterkörper dieselbe relative Dielektrizitätszahl auf, oder eine um einen Betrag von maximal 50% abweichende relative Dielektrizitätszahl;
- - der dielektrische Wellenleiter hat ein zweites Längsende, das von der Rückseite des Halbleiterkörpers absteht, und ist ausgebildet, die von der integrierten Antenne her nach Durchstrahlung des Halbleiterkörpers am ersten Längsende eingekoppelten und durch das Wellenleitermaterial geführten, ausgehenden Hochfrequenzsignale nach Extern abzustrahlen, oder die von Extern am zweiten Längsende eingekoppelten elektromagnetischen Hochfrequenzsignale zum ersten Längsende hin zu leiten.

Mit dem Hochfrequenz-Bauelement des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung gelingt eine fertigungstechnisch vorteilhafte und kostengünstige Lösung der oben formulierten Aufgabe. Bei dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Bauelement ist der Wellenleiter fest mit der Rückseite des Halbleiterkörpers verbunden, erfordert also keinerlei Justierung der wechselseitigen Anordnung oder Ausrichtung der Antenne der integrierten Hochfrequenz-Schaltung und des Wellenleiters zueinander nach der Herstellung des Hochfrequenz-Bauelements. Durch die Anordnung des Wellenleiters an der Rückseite des Halbleiterkörpers wird bei Sendebetrieb des Hochfrequenz-Bauelements die Hochfrequenzstrahlung, die von einer oder mehreren Antennen auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers abgestrahlt wird, durch den Hableiterkörper hindurch in den dielektrischen Wellenleiter eingekoppelt. Umgekehrt wird im Empfangsbetrieb eingehende Hochfrequenzstrahlung vom Wellenleiter in den Halbleiterkörper eingekoppelt und gelangt durch den Halbleiterkörper hindurch zur Antenne der Hochfrequenz-Schaltung auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers.
Zur Erzielung einer hohen Kopplungseffizienz an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper und dem dielektrischen Wellenleitermaterial sieht das Hochfrequenz-Bauelement also ein dielektrisches Wellenleitermaterial im festen Aggregatzustand vor. Die Erfindung wendet sich somit von im Stand der Technik üblichen Hohlleitern ab.
Das Hochfrequenzbauelement hat den weiteren Vorteil, dass bei entsprechender Länge des Wellenleiters eine örtliche Trennung von integrierter Schaltung und Abstrahlort erzielt werden kann. Diese örtliche Trennung wird in manchen Ausführungsbeispielen vorteilhaft genutzt, etwa beim Einsatz des Hochfrequenzbauelements in rauen Umgebungen wie z.B. bei hohen Temperaturen oder hohen Drücken. Das vom Halbleiterkörper abstehende zweite Längsende des Wellenleiters kann diesen rauen Bedingungen ausgesetzt werden, während der Halbleiterkörper selbst mit der empfindlicheren integrierten Hochfrequenz-Schaltung an einem geschützten Ort platziert werden kann.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Bauelements beschrieben.
Eine verlustarme Übertragung der Hochfrequenz-Signale beim Übergang zwischen Halbleiterkörper und Wellenleiter wird durch eine geeignete Anpassung der materialspezifischen relativen Dielektrizitätszahlen des Materials des Halbleiterkörpers und des dielektrischen Wellenleitermaterials erzielt. Die relative Dielektrizitätszahl eines gegebenen Materials ist bekanntlich frequenzabhängig. Wenn im Rahmen der vorliegenden Beschreibung von relativen Dielektrizitätszahlen gesprochen wird, ist jeweils der Wert der relativen Dielektrizitätszahl bei den für die zu sendenden oder zu empfangenden Hochfrequenz-Signale verwendeten Frequenzen gemeint.
Der Kopplungsverlust ist bei bevorzugt verwendeten identischen relativen Dielektrizitätszahlen von Halbleiterkörper und dielektrischem Wellenleitermaterial am geringsten.
Er kann jedoch in alternativen Ausführungen des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Bauelements auch bei einer gewissen Abweichung des Betrags der relativen Dielektrizitätszahlen noch hinreichend gering gehalten werden, um eine effiziente Kopplung zu erzielen. In manchen alternativen Ausführungsformen dieser Art beträgt die Abweichung der relativen Dielektrizitätszahlen von Halbleiterkörper und dielektrischem Wellenleitermaterial bis zu 60%. So wurde beispielsweise bei Verwendung eines Halbleiterkörpers aus Silizium mit einer relativen Dielektrizitätszahl von 12 ein Wellenleitermaterial mit einer relativen Dielektrizitätszahl von 5 mit noch sehr guter Kopplungseffizienz eingesetzt.
In anderen Ausführungsformen weist das dielektrische Wellenleitermaterial im Vergleich mit dem Halbleiterkörper eine um einen Betrag von maximal 40%, bevorzugt maximal 25% abweichende relative Dielektrizitätszahl auf. So wurde, wiederum bei Verwendung eines Halbleiterkörpers aus Silizium mit einer relativen Dielektrizitätszahl von 12, ein Wellenleitermaterial mit einer relativen Dielektrizitätszahl von 15 mit noch sehr guter Kopplungseffizienz eingesetzt.
In den genannten alternativen Ausführungen kommt zur Erzielung einer möglichst hohen Effizienz der Kopplung zum Halbleiterkörper vorzugsweise eine dielektrische Zwischenlage zum Einsatz, die zwischen dem Halbleiterkörper und dem Wellenleitermaterial angeordnet ist. Eine solche Zwischenlage ist eine Materialschicht, deren Material eine relative Dielektrizitätszahl hat, deren Betrag zwischen dem des Halbleiterkörpers und dem des Wellenleitermaterials liegt. Je nach verwendeter Herstellungstechnologie kann sie in manchen Ausführungsformen auch weitere Funktionen übernehmen, etwa die Befestigung des Wellenleiters auf dem Halbleiterkörper ermöglichen oder verbessern; oder sie hilft, die Verlustwärme abzuführen.
Besondere Vorteile erzielt das Hochfrequenz-Bauelement mit einer integrierten Hochfrequenz-Schaltung, die mit einer industriellen Silizium-Technologie herstellbar ist. Der Halbleiterkörper ist in solchen Ausführungsformen ein Halbleiterchip aus Silizium. In solchen Ausführungsformen wird wie erwähnt vorzugsweise ein Wellenleiter eingesetzt, dessen Wellenleitermaterial eine relative Dielektrizitätszahl zwischen 5 und 15 hat. Besonders vorteilhalft ist wie erläutert die Verwendung eines Wellenleitermaterials mit der relativen Dielektrizitätszahl von 12.
Geeignete Wellenleitermaterialien sind zum Beispiel die Produkte der Firma PREMIX unter dem Namen PREPERM, womit sich sowohl Dielektrizitätszahlen von 12 einstellen lassen als auch Werte darüber oder darunter.
Zur Erzielung eines besonders hohen Transmissionsgrades (hier auch als Durchlässigkeit bezeichnet) des Halbleiterkörpers des Hochfrequenz-Bauelements für die elektromagnetischen Hochfrequenzsignale ist der Halbleiterkörper in entsprechend vorteilhaften Ausführungsformen hochohmig. Mit anderen Worten, der Halbleiterkörper hat in diesen Ausführungsformen einen spezifischen Widerstand von mindestens 20 Ohm · cm. Besonders bevorzugt sind noch höhere Werte des spezifischen Widerstands.
Vorteilhaft ist es, Halbleiterkörper mit einer geringen Dicke zu verwenden, da auf diese Weise die Hochfrequenzsignale beim Durchgang durch den Halbleiterkörper nur wenig gedämpft wird. Geeignete Werte der Dicke des Halbleiterkörpers sind 100µm bis 200µm. Halbleiterkörper einer solchen Dicke können noch gut weiterverarbeitet werden. Mit einem größeren technologischen Aufwand sind aber auch noch geringere Werte der Dicke möglich, wodurch auch Halbleiterchips mit spezifischem Widerstand von unterhalb 20 Ohm · cm einsetzbar sind (bis herunter zu 5 Ohm cm).
In einigen Ausführungsbeispielen wird ein aus einem Silicon-on-Insulator (SOI)-Wafer hergestellter SOI-Halbleiterchip eingesetzt..
Der Wellenleiter kann homogen aus einem Material bestehen, wobei das Material wie erläutert bevorzugt eine relative Dielektrizitätszahl von ε_r = 12 besitzt. Der Wellenleiter kann aber auch aus mehreren Schichten bestehen, beispielsweise mit einem Kern mit einer relativen Dielektrizitätszahl ε_r von 12 und einem Mantel mit einer anderen Dielektrizitätskonstante von z.B. 2,5. Damit ist die durch den Wellenleiter fließende Hochfrequenzenergie besser von Umwelteinflüssen geschützt, die zum Beispiel schon bei Berühren mit der Hand nachteilig wirken können.
Das abstehende zweite Längsende des Wellenleiters kann mit seiner Stirnfläche als einfache Bruchfläche vorliegen oder in unterschiedlichen Ausführungsformen des Hochfrequenz-Bauelements nach den Bedürfnissen eines jeweiligen Anwendungsfalls während der Herstellung des Wellenleiters selbst oder in einem nachfolgenden Prozessschritt weitergebildet werden. In einem Fall eines solchen Ausführungsbeispiels ist am zweiten Längsende des Wellenleiters im unmittelbaren Kontakt mit dem Wellenleitermaterial eine Anpass-Schicht angeordnet, die die Stirnfläche und somit die Eintritts-oder Austrittsfläche für die elektromagnetischen Hochfrequenzsignale am zweiten Längsende des Wellenleiters bildet und deren relative Dielektrizitätszahl zwischen der des dielektrischen Wellenleitermaterials und der des umgebenden Mediums liegt. Bei Verwendung in gasförmiger Umgebung ist die relative Dielektrizitätszahl der Anpass-Schicht natürlicherweise größer als die relative Dielektrizitätszahl von Luft. In anderen Ausführungsbeispielen zum Einsatz in flüssiger Umgebung, etwa zur Verwendung bei der Materialprüfung in Flüssigkeiten oder Festkörpern oder Pulvern, bei denen das zweite Längsende des Hochfrequenz-Bauelements im Betrieb in ein solches Material als umgebendes Medium einzutauchen ist, liegt die relative Dielektrizitätszahl der Anpass-Schicht vorteilhafterweise zwischen dem Wert des dielektrischen Wellenleitermaterials und des zu untersuchenden Materials.
Die Anpass-Schicht erzielt so eine verlustarme Ein- und Auskopplung von Hochfrequenzsignalen an der Grenzfläche zwischen dem Wellenleitermaterial und der Umgebung des zweiten Längsendes des Wellenleiters, die also bei den derzeit vorgesehenen Anwendungsfällen typischerweise von Luft oder wie erläutert eines anderen beliebigen Materials gebildet ist. Eine Dicke der Anpass-Schicht, also ihre Ausdehnung in Fortsetzung der Längserstreckung des dielektrischen Wellenleiter-Materials, beträgt vorzugsweise λ /4 oder etwa λ /4, wobei λ die Wellenlänge der die Hochfrequenzsignale tragenden Hochfrequenzstrahlung im Anpass-Medium ist.
In einem anderen Fall eines solchen Ausführungsbeispiels ist am zweiten Längsende des Wellenleiters eine dielektrische Linse angeordnet. Diese ist vorzugsweise an den Wellenleiter angeformt und insbesondere aus dem Wellenleitermaterial selbst gefertigt. Somit entsteht keine Materialgrenze mit dem Wellenleiter selbst, die eine Kopplung erforderlich machen und damit einhergehende Verluste bedingen würde. Eine dielektrische Linse erlaubt es, die Reichweite des Hochfrequenz-Bauelements bei der Abstrahlung von Hochfrequenz-Signalen zu vergrößern, da die Hochfrequenzenergie fokussiert abgestrahlt wird.
In manchen Ausführungsformen kann der Wellenleiter aus mehreren Abschnitte bestehen, wobei der Typ und/oder das Material des Wellenleiters zwischen den Abschnitten unterscheiden.
In manchen Ausführungsformen sind auf der Rückseite des Halbleiterkörpers mindestens zwei Wellenleiter vorgesehen. Damit kann eine besonders kompakte Bauform erzielt werden, die zugleich eine große räumliche Abdeckung ermöglicht, indem zum Beispiel zwei dielektrische Wellenleiter an einen Halbleiterchip gekoppelt sind und diese mit Linsen versehen an zwei unterschiedlichen Orten abstrahlen bzw. empfangen. Um eine Verkopplung der Signale auf dem Chip zu vermeiden oder zu minimieren, können Abschirmmaßnahmen auf dem Chip vorgesehen sein.
Das Hochfrequenz-Bauelement weist vorteilhafterweise zusätzlich eine Leiterplatte auf, an welcher der Halbleiterkörper mit seiner Vorderseite in einer Flip-Chip-Anordnung befestigt ist. Diese Anordnung hat vorzugsweise eine Anordnung von aktiven und passiven Bauelementen der integrierten Hochfrequenz-Schaltung, von Leiterbahnen und Bond-Pads sowie der integrierten Antennen-Struktur (oder mehreren davon) auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers. Sie ermöglicht so auch eine Verbindung der integrierten Schaltung auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers mit weiteren externen, also nicht im Halbleiterkörper selbst implementierten Schaltungskomponenten, die beispielsweise auf der Leiterplatte oder auf einer weiteren, damit ebenfalls verbundenen Leiterplatte angeordnet sein können. Zugleich kann bei der Flip-Chip-Anordnung die Rückseite des Halbleiterkörpers frei von Metallschichten gehalten werden, was für die Vermeidung einer Absorption oder Reflexion der Hochfrequenzsignale und somit für das Erzielen einer hohen Durchlässigkeit des Halbleiterkörpers für die Hochfrequenzsignale und eine hohe Effizienz der bei der Signalübertragung zwischen der Antenne und dem Wellenleiter vorteilhaft ist.
Es kommen für das Hochfrequenz-Bauelement neben einer Flip-Chip-Anordnung aber auch andere, an sich bekannte Gehäuseformen in Betracht, die erlauben, dass die blanke Rückseite des Halbleiterkörpers zur Befestigung des Wellenleiters bei der Herstellung zugänglich ist.
Der Wellenleiter ist wie erläutert mit der Rückseite des Halbleiterkörpers in direktem Kontakt, also direkt auf die Rückseite des Halbleiterkörpers aufgesetzt, oder über eine Zwischenlage aus einem dielektrischen Zwischenlagematerial mit dem Halbleiterkörper auf dessen Rückseite verbunden. Die Verbindung ist fest und kann beispielsweise, wie weiter unten anhand von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erläutert werden wird, durch eine Herstellung des Wellenleiters in einem 3D-Druckverfahren hergestellt werden. Sie kann alternativ durch Ankleben oder andere geeignete Verfahren zum Herstellen und Fixieren der Verbindung hergestellt werden. Bei einer solchen Klebeverbindung sollte ein elektrisch nicht leitfähiger Kleber verwendet werden.
Der dielektrische Wellenleiter ist in manchen Ausführungsbeispielen in seinem Durchmesser größer ist als der Halbleiterkörper in seinen lateralen Ausmaßen, auf dem er befestigt ist. Bei einem Halbleiterkörper (Chip) mit größeren lateralen Ausmaßen und bei sehr hohen Frequenzen kann der Durchmesser des dielektrischen Wellenleiters auch kleiner sein als die Ausmaße des Halbleiterkörpers. In solchen Fällen ist es somit auch möglich, mehrere Wellenleiter an einen Chip anzuschließen.
In manchen Ausführungsbeispielen des Hochfrequenz-Bauelements mit verbundender Leiterplatte ist der Wellenleiter über eine Stützvorrichtung zusätzlich auf der Leiterplatte abgestützt. Die Stützvorrichtung ist in solchen Ausführungsbeispielen vorzugsweise aus einem Material gefertigt, dessen relative Dielektrizitätszahl von dem des Wellenleitermaterials und des Halbleiterkörpers abweicht, gewöhnlich kleiner ist als die des Wellenleitermaterials. Damit kann eine Energie-Ableitung von Energie der Hochfrequenzsignale in die Stützstruktur vermieden werden. Die Stützvorrichtung erhöht die Stabilität der Befestigung des Wellenleiters auf dem Halbleiterkörper. Sie ist in machen Varianten zusätzlich zum Fixieren einer gewünschten Ausrichtung des Längsverlaufs des Wellenleiters ausgebildet, indem sie sich über einen größeren Teil der Längsausdehnung des Wellenleiters erstreckt.
Das Hochfrequenz-Bauelement kann auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers integrierte Schaltungen unterschiedlicher Ausführungen enthalten. Das erfindungsgemäße Hochfrequenz-Bauelement mit angekoppelten dielektrischen Wellenleitern lässt sich beispielsweise vorteilhaft in Radar-Systemen einsetzen.
So bildet eine bevorzugte Weiterbildung des Hochfrequenz-Bauelements ein Radar-Bauelement, umfassend

- ein Hochfrequenz-Bauelement nach gemäß der vorliegenden Erfindung oder einem ihrer Ausführungsbeispiele;
- eine mit dem Hochfrequenz-Bauelement verbundene Signalverarbeitungseinheit, die ausgebildet ist, von der integrierten Hochfrequenz-Schaltung nach Verarbeitung der eingehenden elektromagnetischen Hochfrequenzsignale an einem dortigen Ausgang anliegende Ausgangssignale zu empfangen und daraus Information über einen Bewegungszustand eines die eingehenden Hochfrequenzsignale rückstreuenden externen Objekts oder über einen Abstand des externen Objekts vom Radar-Bauelement zu extrahieren und in Form eines Radar-Ausgangssignals bereitzustellen.

Bei einer Ausführung des Hochfrequenz-Bauelements zur Umsetzung eines bistatischen Verfahrens in einem Radar-Bauelement hat die integrierte Hochfrequenz-Schaltung zwei Antennen, eine Sende-Antenne und eine davon funktionell und baulich zu unterscheidende Empfangs-Antenne. In solchen Ausführungen enthält die Hochfrequenz-Schaltung vorzugsweise

- eine Senderschaltung, die ausgebildet ist, ein frequenzmoduliertes Radar-Sendesignal zu erzeugen und über die Sende-Antenne abzustrahlen, und
- eine Empfängerschaltung, der von der Empfangs-Antenne als Antwort auf das Radar-Sendesignal ein frequenzmoduliertes Radar-Empfangssignal zugeführt wird und die ausgebildet ist, das Radar-Empfangssignal zu verstärken und daraus ein Zwischenfrequenz-Signal zu extrahieren, welches Informationen über einen Abstand eines oder mehrerer das Radar-Sendesignal zurückstreuender externer Objekte vom Hochfrequenzbauelement enthält.

Solche Radar-Systeme arbeiten in manchen Ausführungsformen mit einem frequenzmodulierten Verfahren (FMCW). Die benötigten Frequenzrampen werden unter Verwendung einer Referenzfrequenz in einem Frequenzsynthesizer erzeugt und sowohl der Senderschaltung als auch der Empfängerschaltung zugeführt. Die Senderschaltung erzeugt das Radar-Sendesignal, das über die Sende-Antenne abgestrahlt wird. Das Radar-Empfangssignal wird über die Empfangs-Antenne empfangen und in der EmpfängerSchaltung verstärkt und weiterverarbeitet. Als Ergebnis wird typischerweise das sogenannte IF-Signal ausgegeben, das Frequenzkomponenten enthält, die auf Entfernung und Relativgeschwindigkeit von rückstreuenden Objekten gegenüber dem Hochfrequenzbauelement schließen lassen.
In anderen Ausführungsformen des Hochfrequenz-Bauelements zur Umsetzung eines monostatischen Verfahrens hat die Hochfrequenz-Schaltung eine kombinierte Sende-und Empfangs-Antenne und eine mit ihr verbundene Kopplervorrichtung. Weiterhin enthält die Hochfrequenz-Schaltung:

- eine Senderschaltung, die ausgebildet ist, ein frequenzmoduliertes Radar-Sendesignal zu erzeugen und über die Kopplervorrichtung in die Sende-und Empfangs-Antenne einzuspeisen und abzustrahlen;
- eine Empfängerschaltung, der über die Kopplervorrichtung von der kombinierten Sende-und Empfangs-Antenne als Antwort auf das Radar-Sendesignal ein frequenzmoduliertes Radar-Empfangssignal zugeführt ist und die ausgebildet ist, das Radar-Empfangssignal zu verstärken und daraus ein Zwischenfrequenz-Signal zu extrahieren, welches Information über einen Abstand eines oder mehrerer das Radar-Sendesignal zurückstreuender externer Objekte vom Hochfrequenzbauelement enthält.

Sender- und Empfängerschaltung sind hier also mit einer Kopplervorrichtung verbunden, die Sendesignale an die Antenne führt und die Empfangssignale von der Antenne an die Empfängerschaltung führt. Ein Vorteil dieser Ausführung ist eine kompakte Bauweise. Da die Antenne an nur einem Ort vorhanden ist, kann auch eine bessere Fokussierung erreicht werden. Außerdem ergibt sich eine verbesserte Einkopplung der Hochfrequenzstrahlung in den Wellenleiter, weil der Wellenleiter bei der Herstellung des Hochfrequenz-Bauelements genau auf die eine Antenne justiert werden kann.
Zu beachten ist bei dieser Anordnung das Minimieren eines parasitären Übersprechens des Kopplers, wodurch ein Teil der Sendeenergie direkt vom Sender in den Empfänger geleitet werden kann.
Weiterhin kann das Hochfrequenz-Bauelement auch zur Implementierung eines Puls-Radar-Verfahrens, eines Pseudo-Noise-Verfahrens oder weiterer Verfahren wie eines Six-Port-Verfahrens ausgebildet sein. Der geeignete Frequenzbereich liegt vor allem bei sehr hohen Frequenzen, da es damit möglich ist, die Antenne(n) auf dem Chip zu integrieren. Bevorzugte Frequenzen liegen deshalb zwischen 60GHz und dem Terahertz-Bereich. Beim Einsatz von Puls-Radar-Verfahren kommen vorzugsweise Pulse sehr kleiner Puls-Länge zum Einsatz. Die Puls-Länge liegt beispielsweise zwischen einer Pikosekunde und einigen Nanosekunden.
Einen zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung bildet ein Verfahren zur Herstellung eines Hochfrequenz-Bauelements, umfassend:

- Bereitstellen eines Halbleiterkörpers, der für elektromagnetische Hochfrequenzsignale durchlässig ist, die eine Frequenz von mindestens 30 GHz aufweisen und der einer Vorderseite eine integrierte Hochfrequenz-Schaltung aufweist, die mindestens eine integrierte Antenne enthält;
- Herstellen und Befestigen eines dielektrischen Wellenleiters, dessen erstes Längsende auf einer der Vorderseite entgegengesetzten Rückseite des Halbleiterkörpers in direktem Kontakt oder über eine Zwischenlage aus einem dielektrischen Zwischenlagematerial mit dem Halbleiterkörper fest verbunden wird, wobei
- der dielektrische Wellenleiter ein wellenführendes dielektrisches Wellenleitermaterial aufweist, das geeignet ist, die eingehenden oder ausgehenden elektromagnetischen Hochfrequenzsignale entlang einer Längserstreckung des Wellenleiters zu leiten; und wobei
- der dielektrische Wellenleiter so befestigt wird, dass sein zweites Längsende von der Rückseite des Halbleiterkörpers absteht und ausgebildet ist, die von der integrierten Antenne her nach Durchstrahlung des Halbleiterkörpers am ersten Längsende eingekoppelten und durch das Wellenleitermaterial geführten ausgehenden Hochfrequenzsignale nach Extern abzustrahlen oder die von Extern am zweiten Längsende eingekoppelten elektromagnetischen Hochfrequenzsignale zum ersten Längsende zu leiten.

Das Herstellungsverfahren des zweiten Aspekts ermöglicht die Herstellung eines Hochfrequenz-Bauelements des ersten Aspekts der Erfindung und teilt daher unter dem Aspekt der Herstellung dessen oben beschriebene Vorteile, mögliche Ausführungsformen und Weiterbildungen.
Das Verfahren wird bevorzugt so ausgeführt, dass der dielektrische Wellenleiter auf der Rückseite des Halbleiterkörpers hergestellt und befestigt wird, indem er in seiner Längserstreckung mit einem Druckverfahren schichtweise auf der Rückseite des Halbleiterkörpers aufgebaut wird. Mit an sich bekannten Methoden des 3D-Druckes kann der dielektrischen Wellenleiter hergestellt und somit zugleich gekoppelt werden, indem das Wellenleiter-Material Schicht für Schicht gedruckt wird, beginnend direkt auf der Rückseite des Halbleiterkörpers. Mit diesem Verfahren können auch eine Anpass-Schicht oder dielektrische Linsen am zweiten Längsende des Wellenleiters hergestellt werden.
Alternativ können die dielektrischen Wellenleiter bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels Spritzgussverfahren hergestellt werden und danach auf den Chip geklebt werden. Das ist vor allem sinnvoll, wenn größere Stückzahlen hergestellt werden sollen.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Hochfrequenz-Bauelements mit angekoppeltem dielektrischem Wellenleiter;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Hochfrequenz-Bauelements mit angekoppeltem dielektrischem Wellenleiter mit kleinem Durchmesser und Anpass-Schicht;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Hochfrequenz-Bauelements mit angekoppeltem dielektrischem Wellenleiter und zusätzlicher Wärmeableitung;
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Hochfrequenz-Bauelements mit angekoppelten dielektrischem Wellenleitern, die eine dielektrische Linse aufweisen;
5 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Radar-Chips mit angekoppeltem Wellenleiter und zwei Antennen auf dem Radar-Chip;
6 ein Blockschaltbild eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Radar-Chips mit angekoppeltem Wellenleiter, nur einer Antenne und einem Koppler; 7 ein Blockschaltbild eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels eines Radar-Chips mit angekoppeltem Wellenleiter, nur einer Antenne und einer Six-port Struktur;
8 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Hochfrequenz-Bauelements mit mehreren angekoppelten dielektrischem Wellenleitern, die eine dielektrische Linse aufweisen, zur örtlichen Verteilung von Radar-Signalen; und
9 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Radar-Bauelements zum Einsatz in der Materialprüfung;

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Hochfrequenz-Bauelements 100 mit angekoppeltem dielektrischem Wellenleiter 102. Dargestellt ist lediglich die Grundstruktur eines Hochfrequenz-Bauelements in Form eines Hochfrequenzchips 104 mit einem angekoppelten dielektrischen Wellenleiter 102.
Der Hochfrequenzchip 104 bildet einen Halbleiterkörper, der mit seiner Vorderseite auf eine Leiterplatte 106 gelötet ist. Lötpunkte sind schematisch unter dem Bezugszeichen 108 dargestellt. Die Vorderseite des Hochfrequenz-Chips 104 (nachfolgend auch kurz als Chip bezeichnet) ist für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung grundsätzlich diejenige Seite, die aktive und passive Bauelemente, Leiterbahnen und Bond-Pads sowie integrierte Antennen-Strukturen (in 1 jeweils nicht dargestellt) aufweist, egal ob diese Seite nach oben oder unten, links oder rechts weist.
Der dielektrische Wellenleiter ist direkt auf der Rückseite des Chips aufgesetzt und fixiert. Im vorliegenden Beispiel der 1 ist der dielektrische Wellenleiter in seinem Durchmesser größer ist als der angekoppelte Hochfrequenzchip. Dies ist jedoch nicht in allen Ausführungsformen der Fall. Bei Verwendung größerer Chips oder bei Verwendung sehr hoher Frequenzen kann der Durchmesser des dielektrischen Wellenleiters auch kleiner sein als der Chip (siehe 2). In solchen Ausführungen ist es möglich, mehrere Wellenleiter an einen Chip anzuschließen.
Der Chip 104 ist im vorliegenden Beispiel in Silizium-Technologie gefertigt. Es ist jedoch auch möglich, andere Halbleiter, wie beispielsweise III-V-Halbleiter als Material des Halbleiterkörpers zu verwenden.
Die in 1 dargestellte Art der Verbindung des Chips 104 mit der Leiterplatte 106 wird auch Flip-Chip Technologie genannt. Es kommen jedoch auch andere Gehäuseformen in Betracht, bei denen die blanke Rückseite des Hochfrequenzchips zugänglich ist.
Der Wellenleiter 102 kann homogen ausgebildet sein und also aus nur einem Material bestehen, wobei das Material im vorliegenden Fall bevorzugt einen Wert der relativen Dielektrizitätszahl von ε_r = 12 besitzt. Die Wert relative Dielektrizitätszahl wird auch als Dielektrizitätskonstante bezeichnet und ist bekanntlich materialspezifisch sowie frequenzabhängig. Vorliegend ist der für das Frequenzgebiet der jeweils verwendeten Hochfrequenzsignale gegebene Wert der relativen Dielektrizitätszahl maßgeblich.
In alternativen Ausführungen (hier nicht dargestellt) ist der Wellenleiter aus mehreren Schichten aufgebaut und weist einen Kern mit ε_r = 12 sowie einen Mantel mit einem anderen Wert der relativen Dielektrizitätszahl von z.B. 2,5 auf. Damit ist die durch den Wellenleiter fließende Hochfrequenzenergie besser vor Umwelteinflüssen geschützt, wie sie zum Beispiel schon durch Berühren des Wellenleiters auftreten können.
Für eine verbesserte Abstrahlung der Hochfrequenz-Energie kann am Ende des Wellenleiters eine Anpass-Schicht 201 vorgesehen sein (siehe 2). Die Anpass-Schicht 201 verringert die Reflektion von Wellen bei Austreten aus dem Wellenleiter 202 sowie beim Eintritt in den Wellenleiter 202. Die relative Dielektrizitätskonstante ε_r liegt dabei zwischen der des Wellenleiters 202 und der von Luft (oder eines anderen umgebenden Mediums). Die Dicke der Anpass-Schicht 201 beträgt ca. λ/4, wobei λ die Wellenlänge der Strahlung im Anpass-Medium ist. In weiteren Ausführungsbeispielen wird gezeigt, dass am Ende des Wellenleiters auch andere funktionale Elemente angebracht sein können.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Hochfrequenz-Bauelements 200 mit angekoppeltem dielektrischem Wellenleiter 202 und Anpass-Schicht 201. Das Ausführungsbeispiel der 2 ähnelt in vielen Merkmalen dem der 1. Die nachfolgende Beschreibung fokussiert auf die Unterschiede.
Für eine verbesserte Abstrahlung der Hochfrequenz-Energie kann am Ende des Wellenleiters eine Anpass-Schicht 201 vorgesehen sein. Die Anpass-Schicht 201 verringert eine Reflexion von Wellen bei Austreten aus dem Wellenleiter 202 sowie beim Eintritt in den Wellenleiter 202. Die relative Dielektrizitätskonstante ε_r der Anpass-Schicht liegt zwischen der des Wellenleiters und der von Luft oder eines anderen umgebenden Mediums. Die Dicke der Anpass-Schicht 201 beträgt ca. λ/4, wobei λ die Wellenlänge der Strahlung im Anpass-Medium ist. Die Anpass-Schicht 201 kann auch aus mehreren Lagen unterschiedlicher Materialien bestehen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der 2 ist weiterhin der Durchmesser des dielektrischen Wellenleiters kleiner als der Chip 204.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Hochfrequenz-Bauelements 300 mit angekoppeltem dielektrischem Wellenleiter 302 und zusätzlicher Wärmeableitung 308.
In den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 erfolgt die Wärmeableitung der Verlustwärme des Chips hauptsächlich über die Lötpunkte 108, 208 des Chips 104, 204 zur Leiterplatte 106, 206. Der damit verbundene Wärmewiderstand könnte zu einer zu Erhitzung des Chips führen. Deshalb ist es sinnvoll, in Anwendungsfällen mit hoher Verlustleistung im Chip zusätzliche Wege der Wärmeabfuhr zu schaffen. Eine Lösung ist in 3 gezeigt.
Während wie erläutert in den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 die Wärmeableitung der Verlustwärme des Chips über die Lötpunkte zur Leiterplatte erfolgt, umfasst der Halbleiterkörper im Beispiel der 3 eine Zwischenschicht 310, die die vom Chip 304 ausgehende Strahlung durchlässt, und die einen großen Anteil der im Chip entstehenden Verlustwärme aufnimmt. Die Zwischenschicht 310 besteht aus reinem hochohmigem einkristallinen Silizium. Dieses Material hat zum einen eine gute thermische Leitfähigkeit und besitzt zum anderen dielektrische Eigenschaften, die einen ungehinderten Durchgang der vom Chip 304 ausgehenden Strahlung gewährleistet. Der Chip 304 ist mit dieser Zwischenschicht 310 verbunden. Die Zwischenschicht weist also hier die Rückseite des Halbleiterkörpers auf, auf der der Wellenleiter 302 befestigt ist.
Seitlich neben dem Chip kann ein Wärmeleitmedium 308 angeordnet sein, das zum Beispiel aus Kupfer besteht und das die Zwischenschicht 310 thermisch mit der Leiterplatte 306 verbindet. Die Kupfer-Leitbahnen der Leiterplatte 306 sorgen dann für den Weitertransport der vom Chip 304 ausgehenden Wärme, so dass die Wärmeenergie an die umgebende Luft abgegeben werden kann oder zu einem weiteren Kühlkörper transportiert wird. Das Wärmeleitmedium 308 kann an mehreren Stellen an der Silizium-Platte angeordnet sein oder ringförmig um den Chip 304 ausgebildet sein.
4 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Hochfrequenz-Bauelements 400 mit angekoppelten dielektrischen Wellenleitern 402.1, 402.2, die eine dielektrische Linse 412.1, 412.2 aufweisen.
Das offene Ende des Wellenleiters 102, 202 in den Ausführungsbeispielen der 1 oder 2 strahlt die Hochfrequenzenergie sehr isotrop ab. Das heißt, dass aufgrund von Beugungserscheinungen am Ende des Wellenleiters 102, 202 die Hochfrequenzenergie in alle räumlichen Richtungen mit nahezu gleicher Intensität abgestrahlt wird. In vielen Anwendungsfällen will man aber eine in eine bestimmte Richtung fokussierte Strahlung erhalten. Man kann das erreichen, indem an dem Ende des dielektrischen Wellenleiters eine dielektrische Linse 412.1, 412.2 angebracht wird, wie es in 4 schematisch dargestellt ist. An die dielektrische Linse 412.1, 412.2 werden grundsätzlich ähnliche Material-Anforderungen wie an das Wellenleiter-Material gestellt. Sie muss eine gute Durchlässigkeit für die Hochfrequenzstrahlung haben und muss eine Dielektrizitätskonstante besitzen, die nur wenig abweicht von der Dielektrizitätskonstante des Wellenleiters (z.B. max. 40% Abweichung). Sie besteht also vorteilhaft aus dem gleichen Material wie der Wellenleiter 402.1, 402.2. Mit speziellen Anpass-Strukturen zwischen Wellenleiter und Linse sind aber auch größere Abweichungen tolerierbar. Um die Abstrahlung der Linse zu verbessern, ist auch die Verwendung einer Anpass-Schicht in der Abstrahlrichtung vorteilhaft (in 4 nicht eingezeichnet).
Die Linse 412.1, 412.2 kann durch Aufstecken einer vorgefertigten dielektrischen Linse auf den Wellenleiter 402.1, 402.2 realisiert werden. Besonders vorteilhaft wird die dielektrische Linse in anderen Herstellungsverfahren zusammen mit dem Wellenleiter hergestellt, beispielsweise in Form eines 3D-Druckverfahrens, das zunächst den Wellenleiter und dann in unmittelbarem Anschluss die Linse druckt.
Um Strahlungsverluste zu vermeiden bzw. zu verringern, können an den Übergängen vom Chip 404.1, 404.2 zum Wellenleiter 402.1, 402.2 oder vom Wellenleiter 402.1, 402.2 zur Linse 412.1, 412.2 Übergangsabschnitte angeordnet sein, wo der Durchmesser des Wellenleiters modifiziert wird (engl. Taper). Solch ein Übergang ist in 4 auf der rechten Seite dargestellt.
Um die mechanische Stabilität zu verbessern und den Chip nicht mechanisch zu überlasten, kann auch eine mechanische Kopplung vom Wellenleiter 402.2 auf die Leiterplatte 406 angeordnet werden. In 4 ist solch eine mechanische Verstärkung dargestellt. Diese verbindet den Wellenleiter 402.2 mechanisch mit der Leiterplatte 406. Diese Halte-Strukturen 414 müssen so ausgelegt sein, dass nur wenig Strahlungsenergie vom Chip 404.2 und vom Wellenleiter 402.2 abgeleitet wird. Dazu werden sie aus einem Material mit abweichenden Eigenschaften des Wellenleiters hergestellt (z.B. kleinere Dielektrizitätskonstante in der Haltestruktur 414).
Auch die oben genannten zusätzlichen Strukturen lassen sich vorteilhaft in 3D-Druck Verfahren herstellen, da dann die Wellenleiter-Struktur, die Linsen sowie die Übergangsstrukturen und Haltesysteme in einem Herstellungsschritt entstehen und keine komplizierten Montageschritte benötigt werden.
Die erfindungsgemäßen Hochfrequenzchips mit angekoppelten dielektrischen Wellenleitern lassen sich vorteilhaft in Radar-Systemen einsetzen. 5 zeigt ein Blockschaltbild 500 eines Ausführungsbeispiels eines Radar-Chips 504 mit angekoppeltem Wellenleiter 502;
Der Radar-Chip 504 weist integrierte Antennen 506.1, 506.2 auf. Es gibt je eine Antenne für 506.1 den Sender 508 und eine Antenne 506.2 für den Empfänger 510 (bistatisches Verfahren). Der Radar-Chip 504 arbeitet mit einem frequenzmodulierten Verfahren (FMCW). Die benötigten Frequenzrampen werden in dem Frequenzsynthesizer 512 unter Verwendung einer von extern zugeführten Referenzfrequenz f_ref erzeugt und sowohl dem Sender 508 als auch dem Empfänger 510 zugeführt. Der Sender 508 erzeugt das Sendesignal, das über die Sendeantenne 506.1 abgestrahlt wird. Das Empfangssignal wird über die Empfangs-Antenne 506.2 empfangen und in dem Empfänger-Block 510 verstärkt und weiterverarbeitet. Das Ergebnis ist das sogenannte IF-Signal, das Frequenzen enthält, die auf die Entfernung und die Relativgeschwindigkeit von Objekten schließen lassen und über eine Verbindung 514 zur Signalverarbeitung an eine Basisbandverarbeitungs-Einheit 516 geleitet wird. Die Basisbandverarbeitungs-Einheit 516 kann sich dabei auf dem Chip befinden oder extern als separate Baugruppe vorgesehen sein.
Das Blockschaltbild in 5 steht nur exemplarisch für die Anwendung als RadarSystem. Es können auf dem Chip 504 noch mehr Funktionsblöcke integriert sein oder es können auch Blöcke des Frequenzsynthesizers 512 außerhalb des Chips 504 liegen. Entscheidend ist, dass die Antennen 506.1, 506.2 auf dem Chip 504 integriert sind, so dass die Strahlungsenergie dort generiert wird und abgestrahlt bzw. empfangen werden kann.
6 zeigt ein Blockschaltbild 600 eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Radar-Chips 604 mit angekoppeltem Wellenleiter 602. Es ist eine Radar-Variante dargestellt, die mit nur einer Antenne 606 arbeitet (monostatisches Verfahren). Sender 608 und Empfänger 610 sind hier mit einem Koppler 611 verbunden, der die Sendeenergie an die Antenne 606 führt und der die Empfangssignale von der Antenne 606 an den Empfänger 610 führt. Sender und Empfänger sind mit einem Frequenzsynthesizer 612 verbunden. Das IF-Signal wird wie im Beispiel der 5 über eine Verbindung 614 zur Signalverarbeitung an eine Basisbandverarbeitungs-Einheit 616 geleitet.
Vorteil dieser Anordnung ist die kompakte Bauweise und der Fakt, dass die Antenne 606 an nur einem Ort vorhanden ist und damit bessere Fokussier-Eigenschaften erreicht werden. Außerdem ergibt sich eine verbesserte Einkopplung der Hochfrequenzstrahlung in den Wellenleiter 602, da der Wellenleiter 602 genau auf die eine Antenne 606 justiert werden kann. Problematisch in dieser Anordnung ist das parasitäre Übersprechen des Kopplers 611, die einen Teil der Sendeenergie direkt vom Sender 608 in den Empfänger 610 leitet.
Der geeignete Frequenzbereich liegt vor allem bei sehr hohen Frequenzen, da es damit möglich ist die Antenne(n) auf dem Chip zu integrieren. Bevorzugte Frequenzen liegen deshalb zwischen 60GHz und dem Terahertz-Bereich.
Neben der Auslegung des Radar-Chips als FMCW-Verfahren sind auch andere Radar-Verfahren geeignet. So sind auch Puls-Radar-Verfahren, Pseudo-Noise Verfahren sowie weitere Verfahren wie Six-Port geeignet. Beim Einsatz von Puls-Radar Prinzipien kommen Pulse sehr kleiner Puls-Länge zum Einsatz. Die Puls-Länge liegt zwischen einer Pikosekunde und einigen Nanosekunden.
7 zeigt ein Blockschaltbild 700 eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels eines Radar-Chips 704 mit angekoppeltem Wellenleiter 702, welcher mit einer Six-Port-Struktur 708 ein Six-Port-Verfahren implementiert.
Die Six-Port Struktur 708 empfängt zwei Eingangssignale und liefert vier Ausgangssignale 714). In der in 7 dargestellten Six-Port-Struktur 708 ist das erste Eingangssignal das vom Frequenzsynthesizer 712 kommende Signal und das zweite Eingangssignal das Antennensignal aus der Antenne 706. Das Six-Port Verfahren beruht auf dem Prinzip der Superposition dieser beiden Signale an vier Stellen eines Wellenleiters innerhalb der Six-Port-Struktur 708. Die Information wir durch Leistungsmessung an diesen vier Stellen ermittelt. (siehe A. Kölpin et al.: „The Six-Port in Modern Society", IEEE microwave magazine 12/2010).
8 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Hochfrequenz-Bauelements 800 mit mehreren angekoppelten dielektrischen Wellenleitern 802.1, 802.2, die jeweils eine dielektrische Linse 812.1, 812.2 aufweisen, zur örtlichen Verteilung von Radar-Signalen. Die zwei Wellenleiter 802.1, 802.2 sind an einen Radar-Chip 804 angekoppelt.
Der in 8 dargestellte Radar-Chip 804 hat mehrere angekoppelte Wellenleiter 802.1, 802.2r zur örtlichen Verteilung von Radar-Signalen. Vorteilhaft ist eine solche Anordnung für Radar-Verfahren mit Winkelauflösung. Durch die vergrößerte örtliche Trennung der Abstrahlorte der Radar-Kanäle kann die Winkel-Auflösung verbessert werden.
Es kann alternativ eine Anordnung mit zwei Chips (z.B. Sender- und Empfänger-Chip) mit je einem gekoppelten Wellenleiter realisiert werden.
In einigen Anwendungsgebieten ist es vorteilhaft, wenn die Halbleiter-Elektronik Komponenten örtlich getrennt von dem Einbau-Ort der Radar-Antennen platziert werden können. Das kann mehrere Gründe haben. Einige Anwendungsfälle erfordern einen größeren Abstand zwischen Sende- und Empfangsantenne oder auch zwischen mehreren Empfangsantennen.
Weiterhin kann die örtliche Trennung von Radar-Elektronik und Radar-Abstrahlort vorteilhaft genutzt werden beim Einsatz in rauen Umgebungen wie z.B. bei hohen Temperaturen oder hohen Druckwerten. Die Wellenleiter 802.1, 802.2 und Linsen 812.1, 812.2 können diesen rauen Bedingungen ausgesetzt werden, während der Chip an einem geschützten Ort platziert werden kann.
Die erfindungsgemäßen Hochfrequenzchips mit angekoppelten dielektrischen Wellenleitern lassen sich vorteilhaft in Systemen zur Abstandsmessung einsetzen.
Die erfindungsgemäßen Hochfrequenzchips mit angekoppelten dielektrischen Wellenleitern lassen sich auch vorteilhaft in Systemen zur Materialprüfung einsetzen. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Radar- Bauelements 900 zum Einsatz in der Materialprüfung. Das Radar-Bauelement weist einen Hochfrequenzchip 904 auf, der mit einer Leiterplatte 906 verbunden ist, Dazu wird das offene Ende des Wellenleiters 902 entweder auf das zu prüfende feste Material aufgesetzt oder es wird in eine definierte Tiefe in ein zu untersuchendes flüssiges Material 916 eingetaucht. Es wird dann ein hochfrequentes Signal durch den Wellenleiter 902 geschickt und es wird das reflektierte Signal, das im Empfänger ankommt, untersucht. Insbesondere die spektrale Zusammensetzung des Signales gibt Hinweise auf die Materialart bzw. die Zusammensetzung des Materials. Analog zu den vorhergehenden Beschreibungen kann der Radar-Chip mit unterschiedlichen Radar-Methoden betrieben werden (Frequenzmoduliert, Puls, Six-Port usw.).
In Zusammenfassung betrifft die vorliegende Erfindung ein Hochfrequenz-Bauelement. Dieses umfasst einen Halbleiterkörper, der für elektromagnetische Hochfrequenzsignale durchlässig ist und auf einer Vorderseite eine integrierte Hochfrequenz-Schaltung aufweist, die mindestens eine integrierte Antenne enthält. Ein dielektrischer Wellenleiter hat ein erstes Längsende, das mit dem Halbleiterkörper auf einer der Vorderseite entgegengesetzten Rückseite des Halbleiterkörpers in direktem Kontakt oder über eine Zwischenlage aus einem dielektrischen Zwischenlagematerial fest verbunden ist und dessen wellenführendes dielektrisches Wellenleitermaterial im festen Aggregatzustand ist und die eingehenden oder ausgehenden elektromagnetischen Hochfrequenzsignale entlang einer Längserstreckung des Wellenleiters leitet. Der dielektrische Wellenleiter hat ein zweites Längsende, das von der Rückseite des Halbleiterkörpers absteht, und ist ausgebildet, die von der integrierten Antenne her nach Durchstrahlung des Halbleiterkörpers am ersten Längsende eingekoppelten und durch das Wellenleitermaterial geführten, ausgehenden Hochfrequenzsignale nach Extern abzustrahlen, oder die von Extern am zweiten Längsende eingekoppelten elektromagnetischen Hochfrequenzsignale zum ersten Längsende hin zu leiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2012/0068891 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. Kölpin et al.: „The Six-Port in Modern Society“, IEEE microwave magazine 12/2010 [0074]

Claims

Hochfrequenz-Bauelement, umfassend: - einen Halbleiterkörper mit folgenden Eigenschaften: - der Halbleiterkörper ist für elektromagnetische Hochfrequenzsignale durchlässig, die eine Frequenz von mindestens 30 GHz aufweisen; - der Halbleiterkörper weist auf einer Vorderseite des Halbleiterkörpers eine integrierte Hochfrequenz-Schaltung auf, die mindestens eine integrierte Antenne enthält und die ausgebildet ist, ausgehende elektromagnetische Hochfrequenzsignale zu erzeugen und über die integrierte Antenne in den Halbleiterkörper hinein abzustrahlen, oder eingehende elektromagnetische Hochfrequenzsignale nach Durchstrahlung des Halbleiterkörpers über die integrierte Antenne zu empfangen und zu verarbeiten; - mindestens einen dielektrischen Wellenleiter mit folgenden Eigenschaften: - der dielektrische Wellenleiter hat ein erstes Längsende, das mit dem Halbleiterkörper auf einer der Vorderseite entgegengesetzten Rückseite des Halbleiterkörpers in direktem Kontakt oder über eine Zwischenlage aus einem dielektrischen Zwischenlagematerial fest verbunden ist; - der dielektrische Wellenleiter weist ein wellenführendes dielektrisches Wellenleitermaterial im festen Aggregatzustand auf, das geeignet ist, die eingehenden oder ausgehenden elektromagnetischen Hochfrequenzsignale entlang einer Längserstreckung des Wellenleiters zu leiten; - der dielektrische Wellenleiter hat ein zweites Längsende, das von der Rückseite des Halbleiterkörpers absteht, und ist ausgebildet, die von der integrierten Antenne her nach Durchstrahlung des Halbleiterkörpers am ersten Längsende eingekoppelten und durch das Wellenleitermaterial geführten, ausgehenden Hochfrequenzsignale nach Extern abzustrahlen, oder die von Extern am zweiten Längsende eingekoppelten elektromagnetischen Hochfrequenzsignale zum ersten Längsende hin zu leiten.
Hochfrequenz-Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterkörper ein Halbleiterchip aus Silizium ist und das dielektrische Wellenleitermaterial eine relative Dielektrizitätszahl zwischen 5 und 15 hat.
Hochfrequenz-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Halbleiterkörper einen spezifischen Widerstand von mindestens 20 Ohm cm aufweist.
Hochfrequenz-Bauelement nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das erste Längsende mit dem Halbleiterkörper über die Zwischenlage aus dem dielektrischen Zwischenlagematerial fest verbunden ist und das Zwischenlagematerial dieselbe relative Dielektrizitätszahl aufweist wie der Halbleiterkörper.
Hochfrequenz-Bauelement nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem am zweiten Längsende des Wellenleiters eine Anpass-Schicht angeordnet ist, deren relative Dielektrizitätszahl kleiner ist als die des dielektrischen Wellenleitermaterials.
Hochfrequenz-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem am zweiten Längsende des Wellenleiters eine dielektrische Linse angeordnet ist, die aus dem Wellenleitermaterial gefertigt ist.
Hochfrequenz-Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem auf der Rückseite des Halbleiterkörpers mindestens zwei Wellenleiter vorgesehen sind.
Hochfrequenz-Bauelement nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, das zusätzlich eine Leiterplatte aufweist, an welcher der Halbleiterkörper mit seiner Vorderseite in einer Flip-Chip-Anordnung befestigt ist.
Hochfrequenz-Bauelement nach Anspruch 8, bei dem der Wellenleiter über eine Stützvorrichtung zusätzlich auf der Leiterplatte abgestützt ist, wobei die Stützvorrichtung aus einem Material gefertigt ist, dessen relative Dielektrizitätszahl von dem des Wellenleitermaterials und des Halbleiterkörpers abweicht und so eine Energie-Ableitung der Hochfrequenzsignale in die Stützstruktur vermeidet.
Hochfrequenzbauelement nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die integrierte Hochfrequenz-Schaltung eine Sende-Antenne und eine Empfangs-Antenne aufweist.
Hochfrequenzbauelement nach Anspruch 10, bei dem die Hochfrequenz-Schaltung - eine Senderschaltung enthält, die ausgebildet ist, ein frequenzmoduliertes Radar-Sendesignal zu erzeugen und über die Sende-Antenne abzustrahlen, - eine Empfängerschaltung enthält, der von der Empfangs-Antenne als Antwort auf das Radar-Sendesignal ein frequenzmoduliertes Radar-Empfangssignal zugeführt wird und die ausgebildet ist, das Radar-Empfangssignal zu verstärken und daraus ein Zwischenfrequenz-Signal zu extrahieren, welches Information über einen Abstand eines oder mehrerer das Radar-Sendesignal zurückstreuender externer Objekte enthält.
Hochfrequenz-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Hochfrequenz-Schaltung - eine kombinierte Sende- und Empfangs-Antenne und eine mit ihr verbundene Kopplervorrichtung enthält, - eine Senderschaltung enthält, die ausgebildet ist, ein frequenzmoduliertes Radar-Sendesignal zu erzeugen und über die Kopplervorrichtung in die Sende-und Empfangs-Antenne einzuspeisen und abzustrahlen - eine Empfängerschaltung enthält, der über die Kopplervorrichtung von der Sende- und Empfangs-Antenne als Antwort auf das Radar-Sendesignal ein frequenzmoduliertes Radar-Empfangssignal zugeführt wird und die ausgebildet ist, das Radar-Empfangssignal zu verstärken und daraus ein Zwischenfrequenz-Signal zu extrahieren, welches Information über einen Abstand eines oder mehrerer das Radar-Sendesignal zurückstreuender externer Objekte enthält.
Radar-Bauelement, umfassend - ein Hochfrequenzbauelement nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche; - eine mit dem Hochfrequenz-Bauelement verbundene Signalverarbeitungseinheit, die ausgebildet ist, von der integrierten Hochfrequenz-Schaltung nach Verarbeitung der eingehenden elektromagnetischen Hochfrequenzsignale an einem dortigen Ausgang anliegende Ausgangssignale zu empfangen und daraus Information über einen Bewegungszustand eines die eingehenden Hochfrequenzsignale rückstreuenden externen Objekts oder über einen Abstand des externen Objekts vom Radar-Bauelement zu extrahieren und in Form eines Radar-Ausgangssignals bereitzustellen.
Verfahren zur Herstellung eines Hochfrequenz-Bauelements, umfassend: - Bereitstellen eines Halbleiterkörpers, der für elektromagnetische Hochfrequenzsignale durchlässig ist, die eine Frequenz von mindestens 30 GHz aufweisen und der einer Vorderseite eine integrierte Hochfrequenz-Schaltung aufweist, die mindestens eine integrierte Antenne enthält; - Herstellen und Befestigen eines dielektrischen Wellenleiters, dessen erstes Längsende auf einer der Vorderseite entgegengesetzten Rückseite des Halbleiterkörpers in direktem Kontakt oder über eine Zwischenlage aus einem dielektrischen Zwischenlagematerial mit dem Halbleiterkörper fest verbunden wird, wobei - der dielektrische Wellenleiter ein wellenführendes dielektrisches Wellenleitermaterial aufweist, das geeignet ist, die eingehenden oder ausgehenden elektromagnetischen Hochfrequenzsignale entlang einer Längserstreckung des Wellenleiters zu leiten; und wobei - der dielektrische Wellenleiter so befestigt wird, dass sein zweites Längsende von der Rückseite des Halbleiterkörpers absteht und ausgebildet ist, die von der integrierten Antenne her nach Durchstrahlung des Halbleiterkörpers am ersten Längsende eingekoppelten und durch das Wellenleitermaterial geführten ausgehenden Hochfrequenzsignale nach Extern abzustrahlen und/oder die von Extern am zweiten Längsende eingekoppelten elektromagnetischen Hochfrequenzsignale zum ersten Längsende zu leiten.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der dielektrische Wellenleiter auf der Rückseite des Halbleiterkörpers hergestellt und befestigt wird, indem er in seiner Längserstreckung mit einem Druckverfahren schichtweise auf der Rückseite des Halbleiterkörpers aufgebaut wird.