DE102021125059A1

DE102021125059A1 - Leiterbahnanordnung für hochfrequente Signale, Sockel und elektronische Komponente mit einer Leiterbahnanordnung

Info

Publication number: DE102021125059A1
Application number: DE102021125059.5A
Authority: DE
Inventors: Karsten Drögemüller; Ong Wai Li; Yin Cheng Wong; Amy Soon; Artit Aowudomsuk
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2023-03-30
Also published as: CN115884496A; CN218634369U; US20230097003A1; JP2023049035A

Abstract

Es wird eine Leiterbahnanordnung (1) für hochfrequente Signale bereitgestellt, umfassend einen Träger (2), einen Masseleiter (4) und ein auf dem Träger (2) gegenüber dem Masseleiter (4) angeordnetes Paar von schichtförmigen Signalleitern (10, 11), wobei zwischen den beiden Signalleitern (10, 11) des Paares ein Abstand d vorliegt, und wobei das Paar von Signalleitern (10, 11) einen Umlenkbereich (20) umfasst, in dem sich eine Richtung des Paars von Signalleitern (10, 11) ändert. Ferner ist vorgesehen, dass innerhalb des Umlenkbereichs (20) zwischen den Signalleitern (10, 11) des Paares ein reduzierter Abstand drvorliegt, der gegenüber dem einem Abstand d der Signalleiter (10, 11) außerhalb des Umlenkbereichs (20) verringert ist, wobei der Abstand der Signalleiter in Übergangsbereichen (23) von geraden Abschnitten (21) der Signalleiter (10, 11) in den Umlenkbereich (20) der Abstand d dabei symmetrisch zu einer Verlängerung einer Mittellinie (30) zwischen den beiden Signalleitern (10, 11) in den jeweiligen geraden Abschnitten reduziert ist, und/oder eine Kapazität in den in Bezug auf die Richtungsänderung inneren Signalleiter (10) eingebracht ist durch Anordnen einer leerlaufenden Stichleitung (24), welche mit dem inneren Signalleiter (10) innerhalb des Umlenkbereichs (20) elektrisch verbunden ist.Weitere Aspekte der Erfindung betreffen einen Sockel sowie eine elektronische Komponente, welche jeweils eine solche Leiterbahnanordnung (1) umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterbahnanordnung für hochfrequente Signale umfassend einen Träger, einen Masseleiter und ein auf dem Träger gegenüber dem Masseleiter angeordnetes Paar von schichtförmigen Signalleitern, wobei zwischen den beiden Signalleitern des Paares ein Abstand vorliegt und wobei das Paar von Signalleitern einen Umlenkbereich umfasst, in dem sich eine Richtung des Paars von Signalleitern ändert. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen einen Sockel sowie eine elektronische Komponente, welche jeweils eine solche Leiterbahnanordnung umfassen.
Stand der Technik
Hochfrequenz-Zuleitungen sind grundsätzlich bekannt. Insbesondere werden derartige Zuleitungen benötigt, um elektronische Komponenten mit Daten zu versorgen. Dies wird beispielsweise in der Anmeldung DE 10 2020 105 772.5 der Anmelderin beschrieben.
In solchen Fällen werden auf einem Submount angeordnete Hochfrequenz-Zuleitungen verwendet, die einen Signal-Leiter und einen Masseleiter umfassen. Derartige Leiterbahnen und ihre Eigenschaften sind beispielsweise beschrieben in Agilent Technologies, Advanced Design System 1.5, Circuit Components, Distributed Components, Kapitel 2 (Zu finden unter der Internetadresse http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/ads15/ccdist/ccdist026.html). Eine solche Anordnung aus einem Signal-Leiter und einem Masseleiter wird auch als Zweidrahtleitung bezeichnet.
Im Stand der Technik sind auch Hochfrequenz-Zuleitungen bekannt, welche zwei Signalleiter und einen Masseleiter umfassen. Derartige Anordnungen werden auch als differentielle Leitungen bezeichnet und werden häufig bei der Übertragung von Datensignalen bei hohen Übertragungsraten verwendet. Dieser Leitungstyp besitzt einige Vorteile gegenüber einer Zweidrahtleitung. Eine Ausführungsform einer planaren Zweidrahtleitung ist z.B. die Mikrostreifenleitung. Die differentielle Leitung ist eine Dreifachleitung und gehört zur Gruppe der Mehrfachleitungen.
Die Vorteile der Dreifachleitung für die Datenübertragung ergeben sich erst, wenn die beiden Signalleiter verkoppelt sind. Das heißt, der Abstand der beiden Signalleiter ist so gering, dass ihre elektromagnetischen Felder sich überlappen. Auf der Dreifachleitung existieren zwei Eigenwellen. Die Gegentakt und die Gleichtaktwelle. Die beiden Signalleiter habe eine Spannung U₁ und U₂ zum Masseleiter. Zwischen den Signalleitern besteht eine Spannung U_diff=U₁-U₂. Werden die beiden Signalleiter im Gegentakt also mit einer Phasendifferenz von 180° und mit gleicher Amplitude angesteuert, hat U_diff die doppelte Amplitude der Einzelleiter. Aus diesem und aus weiteren Gründen ist die Gegentaktansteuerung die bevorzugte Betriebsart der Dreifachleitung. Weil die Differenzspannung so wichtig ist, heißt diese Leitung auch differentielle Leitung.
Die doppelte Amplitude entsteht aber nur, wenn die Signale auf beiden Leitern eine Phasendifferenz von 180° haben. Die Phasenbeziehung zwischen den beiden Signalleitern ist konstant, solange die Signalleiter symmetrisch zueinander sind. Die Symmetrieebene befindet sich in der Mitte und verläuft entlang einer Mittellinie zwischen den beiden Signalleitern. Die Leiterbahnanordnung ist dann eine symmetrische Dreifachleitung. Bei Symmetriefehlern tritt Wechselwirkung zwischen der Gegentaktwelle und der Gleichtaktwelle auf.
Bei einer Richtungsänderung der differenziellen, planaren Signalleiter geht die Symmetrie immer verloren. Egal, ob die Richtungsänderung ein rechtwinkliger 90° Knick oder ein sanfter Bogen von 90° oder kleiner ist. Der äußere Signalleiter ist immer länger als der innere Signalleiter. Am Beispiel eines 90° Bogens, siehe 2, wird die Längendifferenz berechnet. Die innere Leitung hat den Bogenradius R₁ und die äußere Leitung hat den Bogenradius R₂. Der Abstand der beiden Leitungen von Mitte zu Mitte sei P. Der Längenunterschied ΔL ergibt sich aus der Bogendifferenz des jeweiligen Viertelkreises. Mit R₂=R₁+P ergibt sich der Längenunterschied $Δ L = π / 2 * P .$
Der Längenüberschied hängt nur vom Abstand P der beiden Signalleiter ab. Für andere Ausführungsformen der Richtungsänderungen lassen sich sehr ähnliche Ausdrücke finden. Aus der Längendifferenz ΔL ergibt sich mit der Phasenkonstanten β der Signalleiter eine Phasendifferenz. Damit das differentielle Signal nur wenig verzerrt wird, muss die Phasendifferenz der beiden Signalleiter « 180° sein. Das bedeutet die Längendifferenz der beiden Signalleiter muss sehr klein gegenüber der halben Wellenlänge (λ/2) des Signals auf der Signalleitung sein. Mit steigender Frequenz wird die Wellenlänge des über die Leitung übertragenen Signals immer kürzer und es wird schwieriger die Bedingung in der Praxis einzuhalten. Der Abstand der Signalleiter muss immer weiter reduziert werden. Die Herstellungstechnologie begrenzt den Abstand der Signalleiter und damit den Frequenzbereich der verzerrungsarmen Übertragung über eine solche differenzielle Leitung mit Richtungsänderung.
Aus US 9,461,677 B1 ist eine Leiterbahnanordnung bekannt, bei der zum Ausgleichen des Längenunterschieds zweier Signalleiter einer differentiellen Leitung die Länge des bei einer Umlenkung jeweils innen liegenden Signalleiters durch das Vorsehen einer Schleife verlängert wird. Die Breite der Signalleiter und deren Abstand zueinander wird dabei im Umlenkungsbereich reduziert. Auf eine Mittellinie zwischen den beiden Signalleitern vor Eintritt in den Umlenkungsbereich bezogen wird dabei der jeweils innen liegende Signalleiter in Richtung des außen liegenden Signalleiters versetzt. In dem Versatzbereich haben beide Leiterbahnen unterschiedliche Geometrie. Die Symmetrie ist in diesem Bereich aufgehoben. Bei unterschiedlicher Leiterbahngeometrie ist nicht möglich die die Anforderung der Leitungsimpedanz einzuhalten. Es kommt zu einem Abschnitt mit einer Impedanzfehlanpassung. Je höher die Frequenz des Signals ist, desto stärker treten Reflexionen im Versatzbereich auf.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung eine Leiterbahnanordnung für hochfrequente Signale bereitzustellen, welche bei einer Richtungsänderung keine oder zumindest eine reduzierte Phasendifferenz zwischen zwei Signalleitern aufweist und die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Leiterbahnanordnung für hochfrequente Signale vorgeschlagen. Die Leiterbahnanordnung umfasst einen Träger, einen Masseleiter und ein auf dem Träger gegenüber dem Masseleiter angeordnetes Paar von schichtförmigen Signalleitern, wobei zwischen den beiden Signalleitern des Paares ein Abstand d vorliegt, und wobei das Paar von Signalleitern einen Umlenkbereich umfasst, in dem sich eine Richtung des Paars von Signalleitern ändert.
Ferner ist in einer ersten Variante vorgesehen, dass innerhalb des Umlenkbereichs zwischen den Signalleitern des Paares ein reduzierter Abstand d_r vorliegt, der gegenüber einem Abstand d der Signalleiter außerhalb des Umlenkbereichs verringert ist, wobei der Abstand der Signalleiter in Übergangsbereichen von geraden Abschnitten der Signalleiter in den Umlenkbereich symmetrisch zu einer Verlängerung einer Mittellinie zwischen den beiden Signalleitern in den jeweiligen geraden Abschnitten reduziert ist. Zusätzlich oder alternativ zu der Reduzierung des Abstands der Signalleiter ist in einer zweiten Variante eine Kapazität in den in Bezug auf die Richtungsänderung inneren Signalleiter durch Anordnen einer leerlaufenden Stichleitung eingebracht, welche mit dem inneren Signalleiter innerhalb des Umlenkbereichs elektrisch verbunden ist.
Das Paar von Signalleitern bildet zusammen mit dem Masseleiter auf dem Träger eine differentielle Leitung aus, welche zur Übertragung hochfrequenter elektrischer Signale geeignet ist. Diese differentielle Leitung verläuft bevorzugt von einem Ausgangspunkt zu einem Zielpunkt und verbindet dabei beispielsweise eine Signalquelle mit einer Signalsenke. Zwischen dem Ausgangspunkt und dem Zielpunkt befindet sich zumindest ein Umlenkbereich, innerhalb dem die differentielle Leitung ihre Richtung ändert. Die Signalquelle kann beispielsweise als eine elektrische Zuführung in Form von Kontaktpins ausgestaltet sein und die Signalsenke kann beispielsweise ein elektronisches Bauelement wie eine Laserdiode sein. In anderen Fällen, beispielsweise wenn das elektronische Bauelement eine Photodiode ist, kann auch das elektronische Bauelement die Signalquelle und entsprechend die Kontaktpins die Signalsenke sein.
Der Umlenkbereich ist ein Bereich, dessen Grenzen durch den Beginn bzw. das Ende einer Richtungsänderung der Signalleiter bestimmt sind. Erfolgt die Richtungsänderung in mehreren Stufen oder Abschnitten, so beginnt der Umlenkbereich, wenn einer der beiden Signalleiter die erste Richtungsänderung aufweist und endet, wenn die letzte Richtungsänderung beendet ist, wobei bei einer Richtungsänderung in mehreren Stufen oder Abschnitten jeder der Richtungsänderung dieselbe Orientierung im Sinne einer Drehrichtung hat.
Bezogen auf die Mittellinie schließt der Umlenkbereich der Signalleiter den Teil der Signalleiter ein, der zwischen einem ersten geraden Abschnitt der Mittellinie liegt, der sich entlang einer Ausgangsrichtung erstreckt, und einem zweiten geraden Abschnitt der Mittellinie liegt, der sich entlang einer Endrichtung erstreckt.
Zwischen Ausgangsrichtung und Endrichtung ist der Winkel der Umlenkung eingeschlossen, der beispielsweise 90° oder 45° betragen kann, wobei selbstverständlich auch Umlenkungen mit anderen Winkeln möglich sind.
Die Mittellinie verläuft immer genau in der Mitte zwischen den beiden Signalleitern. Die Punkte auf dieser Mittellinie können entsprechend so konstruiert werden, dass für jeden Punkt der Mittellinie eine senkrecht zu dieser Mittellinie verlaufende Gerade die entsprechenden der Mittellinie zugewandten Kanten der Signalleiter im gleichen Abstand schneiden.
Ein Punkt der auf der Mittellinie zugewandten Kante eines der Signalleiters kann über das Konstruieren der kürzest möglichen Verbindungslinie zwischen diesem Punkt und der Mittellinie einem Punkt auf der Mittellinie zugeordnet werden. Der Schnittpunkt dieser Verbindungslinie mit der Mittellinie wird dabei dem Ausgangspunkt auf der Kante des Signalleiters zugeordnet. Entsprechend dieser Vorschrift können die einzelnen Teile bzw. Abschnitte der Signalleiter den entsprechenden Abschnitten der Mittellinie zugeordnet werden und umgekehrt.
Der Umlenkbereich kann für Varianten, bei denen die Kanten der Signalleiter bogenförmig ausgestaltet sind, auch definiert werden als derjenige Bereich der beiden Signalleiter, bei dem die Mittellinie zwischen den beiden Signalleitern eine Richtungsänderung aufweist und/oder eine Krümmung aufweist.
Die Signalleiter der differentiellen Leitung sind schichtförmig ausgebildet. Entsprechend werden die Signalleiter jeweils durch eine elektrisch leitfähige Schicht bzw. einen Teil einer elektrisch Leitfähigen Schicht ausgebildet, der sich von einem Anfang des jeweiligen Signalleiters bis zu einem Ende des jeweiligen Signalleiters erstreckt und an den Seiten durch eine Innenkante und eine Außenkante räumlich begrenzt wird.
Sind die Kanten der Signalleiter in dem Umlenkbereich zwischen dem ersten geraden Abschnitt und dem zweiten geraden Abschnitt jeweils abschnittsweise als gerade Linien ausgestaltet, so beginnt der Umlenkbereich an der Stelle der ersten der abschnittsweisen Richtungsänderungen und endet, wenn die vollständige Richtungsänderung von z.B. 45° oder 90° erreicht ist. Beispielsweise können bei einer 90° Umlenkung die Kanten der Signalleiter in zwei Schritten zu je 45° umgelenkt werden, so dass sich der Umlenkbereich ausgehend von dem ersten Umlenkschritt von 45° bis zu dem zweiten Umlenkschritt von nochmals 45° erstreckt.
Ein wesentliches Merkmal für die gemäß der ersten Variante vorgesehenen Reduzierung des Abstands der Signalleiter im Umlenkbereich ist, dass diese Abstandsreduzierung symmetrisch verläuft. Damit ist insbesondere gemeint, dass der innerhalb des Übergangsbereichs, innerhalb dem der Abstand zwischen den Signalleitern reduziert wird, kein Versatz der Mittellinie gegenüber der im angrenzenden geraden Abschnitt verlaufenden Mittellinie erfolgt.
Entsprechend verläuft die Mittellinie des Übergangsbereichs bevorzugt als gedachte Verlängerung der Mittellinie des angrenzenden geraden Abschnitts weiter, ohne dass es innerhalb des Übergangsbereichs zu einer Richtungsänderung der Mittellinie kommt.
In allen Varianten gehen die Mittellinien des ersten geraden Abschnitts, des ersten Übergangsbereichs, des Umlenkbereichs, des zweiten Übergangsbereichs und des zweiten geraden Abschnitts stetig, also ohne eine Stufe ineinander über. In besonders bevorzugten Varianten ist der Übergang dabei jeweils auch stetig differenzierbar, so dass die Mittellinie im Umlenkbereich und an den Übergängen in die Übergangsbereiche sanft gekrümmt ist und keine Ecken aufweist.
Der verringerte Abstand d_r kann nicht beliebig klein werden, da der Abstand ausreichend groß sein muss, damit es zu keinem Überschlag oder gar Kurzschluss zwischen den beiden Signalleitern kommt. Zusätzlich begrenzen Fertigungstoleranzen und Möglichkeiten der jeweiligen Fertigungsverfahren den kleinsten verringerten Abstand d_r, der zuverlässig gefertigt werden kann.
Um die Wegdifferenz zwischen den beiden Signalleitern für ein übertragenes Signal weiter zu minimieren, als das für eine bestimmte Herstellungstechnologie möglich ist, kann auch das Signal auf dem inneren der beiden Signalleiter verzögert werden. Stand der Technik ist es, die Verzögerung mit einer meanderförmigen Umwegleitung, also einer Verlängerung des Weges des innen liegenden Signalleiters, oder einer zusätzlichen dielektrischen Schicht auf der Leitung zu realisieren. Im Rahmen dieser Erfindung wird eine andere Möglichkeit vorgeschlagen, die Phase der inneren Leitung zu erhöhen.
Dazu wird die innere Leitung kapazitiv belastet. Die Phase φ1 des verlustfreien inneren Signalleiters im Bogensegment berechnet sich aus $φ_{1} = L_{1} β = 2 π L_{1} \sqrt{L' C'} .$
L₁ ist die Bogenlänge, β ist die Phasenkonstante, L' der Induktivitätsbelag und C' der Kapazitätsbelag des inneren Signalleiters. Erhöht man den Induktivitätsbelag L' und/oder den Kapazitätsbelag C' des Signalleiters wird die Phase dieses Leitungssegmentes größer. Mit dieser Maßnahme würde sich aber zugleich auch die Impedanz der Leitung ändern. Das ist unerwünscht. Mit einer leerlaufenden Stichleitung kann eine Kapazität beliebiger Größe eingestellt werden. Mit leerlaufend ist insbesondere gemeint, dass das Ende der Stichleitung nicht elektrisch abgeschlossen ist und insbesondere nicht mit Massepotential in Verbindung steht. Die Realisierung einer Kapazität mit Hilfe einer Stichleitung ist besonders einfach, ist verlustarm und verursacht keine weiteren Kosten bei der Fertigung.
Die Eingangsimpedanz Z_L einer verlustlosen Leitung mit Leerlaufwiderstand am Ende ist ein reiner negativer Blindwiderstand, $Z_{L} = - j Z cot β L_{L}$
Z_L verhält sich wie eine Kapazität. Als Ersatzschaltbild dieser Leitung kann man auch eine Kapazität angeben, die vom Leitungseingang zum Masseleiter geht. Allerdings ist die Eingangsimpedanz auch abhängig von der Frequenz. Somit ändert sich der Kapazitätswert mit der Frequenz.
In dem Ausdruck für Z_L ist Z die Impedanz, β die Phasenkonstante und L_L die Länge des leerlaufenden Leiters, die auch Stichleitung genannt wird. Die Länge L_L der Stichleitung sollte aber kürzer als λ/4 des in der differentiellen Leitung übertragenen Signals sein, sonst wird die Eingangsimpedanz induktiv. Entsprechend ist es bevorzugt, dass die Länge L_L der Stichleitung kürzer als ein Viertel der Wellenlänge der höchsten Frequenz gewählt wird, für die die Leiterbahnanordnung ausgelegt ist. Besonders bevorzugt wird die Länge L_L kürzer als ein Zehntel der Wellenlänge der höchsten Frequenz gewählt.
Beispielsweise durch Anpassen der Länge L_L der Stichleitung wird die Größe des negativen Blindwiderstandes eingestellt. Je länger die Stichleitung desto größer ist der Kapazitätswert am Eingang der Leitung. Es ist aber auch möglich, durch Ausbilden von leitfähigen Flächen an der Stichleitung, beispielsweise in Form eines Fächers, die Kapazität der Stichleitung zu verändern. Durch das Ausbilden von derartigen leitfähigen Flächen wird die Breite der Stichleitung erhöht und die elektrische Kapazität der Stichleitung gesteigert, ohne dass die Länge L_L der Stichleitung verlängert werden muss.
Im Fall einer bogenförmigen Führung der differentiellen Leitung im Umlenkbereich platziert man die Stichleitung idealer Weise an der halben Bodenlänge und richtet sie zur Innenseite des Bogens aus. Bei einem 90° Bogen ist die Stichleitung somit um 45° gedreht. So erhöht die Eingangsimpedanz der Stichleitung die Kapazität in der Mitte des Bogensegmentes des in dem Umlenkbereich inneren der beiden Signalleiter. Damit ist der innere Signalleiter zusätzlich kapazitiv belastet. Entsprechend wird die Phasendifferenz gemäß der zweiten Variante der Erfindung durch eine elektrische Beschaltung des inneren Signalleiters kompensiert.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass über einen weiten Frequenzbereich die Phasendifferenz zwischen beiden Leitungen minimiert wird.
Entsprechend ist es bevorzugt, dass der reduzierte Abstand d_r und/oder eine Anordnung und/oder Form, insbesondere Länge, der Stichleitung derart gewählt ist, dass für ein von den Signalleitern geführtes Signal eine von der Richtungsänderung der Signalleiter verursachte Phasendifferenz zwischen den beiden Signalleitern minimiert wird.
Ebenfalls ist es bevorzugt, die Verkopplung der Gleichtakt- und der Gegentaktwelle zu minimieren. Als Maß der Verkopplung eignet sich der Koppelfaktor beider Wellen. Der Koppelfaktor zwischen der Gleichtakt- und der Gegentaktwelle ist bevorzugt kleiner als -10dB. Das Minimieren des Koppelfaktors wird bei der zweiten Variante der Erfindung unter anderem bevorzugt durch Anpassen der Kapazität der Stichleitung erreicht, bzw. durch die flächenmäßige Größe der radialen Aufweitung der Stichleitung.
Zwischen einem gerade verlaufenden Abschnitt der Signalleiter, in dem der Abstand zwischen den beiden Signalleitern bevorzugt konstant ist, und dem Umlenkbereich mit dem reduzierten Abstand d_r zwischen den Signalleitern existiert bevorzugt ein Übergangsbereich, in dem sich der Abstand der beiden Signalleiter reduziert.
Der Abstand zwischen den beiden Signalleitern wird nicht über die gesamte Leiterbahnanordnung hinweg konstant auf den reduzierten Abstand d_r gesetzt, da der weitere Abstand d für die Kontaktierung der Signalleiter benötigt wird.
Bevorzugt erfolgt die Reduzierung des Abstands der beiden Signalleiter zueinander kontinuierlich ohne Sprünge oder Stufen. In bevorzugten Varianten kann dieser Übergang nicht nur stetig, sondern auch stetig differenzierbar verlaufen.
Bevorzugt erfolgt innerhalb des Übergangsbereich keine Richtungsänderung der Mittellinie und der Abstand zwischen den beiden Signalleitern wird symmetrisch zu dieser Mittellinie reduziert. In dem sich anschließenden Umlenkbereich ändert entsprechend der Richtungsänderung der Signalleiter auch die Mittellinie ihre Richtung. Zwischen einer gedachten Verlängerung der Mittellinie außerhalb des Umlenkbereichs in dem geraden Abschnitt und der Mittellinie innerhalb des Umlenkbereichs kommt es durch die symmetrische Abstandsreduzierung zu keinem Sprung, die gedachte Verlängerung geht nahtlos und ohne Sprung in die Mittellinie innerhalb des Umlenkbereichs über.
Außerhalb des Umlenkbereiches ist eine Breite W der Signalleiter bevorzugt größer als innerhalb des Umlenkbereichs, um geringere Leitungsverluste zu erreichen und um ggf. Komponenten wie z.B. Bonddrähte oder Stifte eines Transistor Outline (TO)-Gehäuses darauf platzieren zu können. Aus der Breite W der Signalleiter und der notwendigen Leitungsimpedanz Z berechnet sich der Abstand d zwischen den Signalleitern. Für eine differenzielle Leitungsimpedanz von Z = 100 Ohm ergeben sich beispielsweise für die Signalleiterbreite W ein Bereich von 0,05 mm bis 0,250 mm und für den Abstand d ein Bereich von 0,04 mm bis 0,6 mm. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Signalleiterbreite W = 0,1 mm und für eine Impedanz Z = 100 Ohm wird d= 0,09mm gewählt.
Zur Sicherstellung der notwendigen Leitungsimpedanz Z ist entsprechend bevorzugt vorgesehen, bei Reduzierung des Abstands zwischen den beiden Signalleitern auch die Breite der Signalleiter derart zu reduzieren, dass die Leitungsimpedanz Z konstant gehalten wird. Insbesondere ist es bevorzugt durch entsprechende Anpassung der reduzierten Breite W_r die Leitungsimpedanz innerhalb des Umlenkbereichs an die Leitungsimpedanz außerhalb des Umlenkbereichs anzupassen, so dass es zu keinen unerwünschten Impedanzänderungen kommt und die Impedanz über die gesamte Leiterbahnanordnung hinweg angepasst ist.
Zwischen einem geraden Abschnitt der Signalleiter und dem Umlenkbereich liegt bevorzugt ein Abschnitt, in dem sich die Signalleiter ausgehend von der größeren Breite W außerhalb des Umlenkbereichs auf die im Umlenkbereich vorliegende reduzierte Breite W_r einschnüren. Der Bereich der Signalleiter, innerhalb dem diese Einschnürung erfolgt, wird hier auch Einschnürbereich genannt. Diese Reduzierung der Breite W_r erfolgt bevorzugt gemeinsam mit der Reduzierung des Abstands d zwischen den Signalleitern, so dass der Einschnürbereich und der Übergangsbereich identisch sein können. In dem gezeigten Beispiel erfolgt die Reduzierung der Leiterbahnbreite linear. Das ist eine einfache und bevorzugte Ausführung der Reduzierung. Die Reduzierung kann aber auch nichtlinear, wie z.B. exponentiell erfolgen. Die Symmetrie zwischen beiden Leitungen bleibt dennoch erhalten.
Bevorzugt bleibt der verringerte Abstand d_r zwischen den beiden Signalleitern innerhalb des Umlenkbereichs konstant. Entsprechend bleibt bevorzugt auch die reduzierte Breite W_r der Signalleiter innerhalb des Umlenkbereichs konstant.
Das Paar von Signalleitern wird bevorzugt durch eine elektrisch leitende Schicht gebildet. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die elektrisch leitende Schicht zunächst flächig auf den Träger aufgebracht wird und anschließend die Form und der Verlauf der Signalleiter durch ein Strukturieren der leitenden Schicht erhalten wird. Alternativ dazu kann die elektrisch leitende Schicht auch direkt in der gewünschten Form aufgebracht werden, beispielsweise durch ein Druckverfahren. Als Material für die elektrisch leitende Schicht sind insbesondere gut leitende Metalle wie Kupfer geeignet.
Bei der Leiterbahnanordnung ist der Masseleiter bevorzugt als weitere leitfähige Schicht ausgebildet. Der Verlauf des Masseleiters wird dabei bevorzugt durch Strukturieren der weiteren leitfähigen Schicht eingestellt, wobei der Masseleiter beispielsweise wie bereits mit Bezug zu den Signalleitern beschrieben erhalten werden kann. Ein Schichtabstand D zwischen der weiteren leitfähigen Schicht und der leitfähigen Schicht der Signalleiter liegt bevorzugt im Bereich von 0,025 mm bis 0,65 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 mm bis 0,4 mm.
Bevorzugt ist das Paar von Signalleitern auf einer ersten Seite des Trägers angeordnet und der Masseleiter in Form einer weiteren leitfähigen Schicht auf einer zweiten Seite des Trägers ausgebildet ist. Eine weitere bevorzugte Ausführung besitzt zusätzlich zum Masseleiter auf der zweiten Seite des Trägers auch einen oder mehrere Masseleiter auf der ersten Seite des Trägers.
Bevorzugt umfasst das Material des Trägers eine Aluminiumnitrid-Keramik, eine Aluminiumnitrid enthaltende Keramik, Aluminiumoxid (Al₂O₃), ein Glas, eine Keramik oder Kombinationen mehrerer dieser Materialien.
Für Ausführungsformen, bei denen auf einer ersten Seite des Trägers die Signalleiter und auf einer zweiten entgegengesetzten Seite der Masseleiter angeordnet ist, entspricht die Dicke des Trägers dem Abstand D zwischen Masseleiter und den Signalleitern.
Denkbar sind aber auch Ausführungsformen, bei denen auf einem Träger, insbesondere auf einem Träger bestehend aus einer Aluminiumnitrid-Keramik, einer Aluminiumnitrid enthaltende Keramik, Aluminiumoxid (Al₂O₃), einem Glas oder einer Keramik, eine Schichtstruktur angeordnet ist, welche von einer Oberfläche des Trägers ausgesehen die weitere leitfähige Schicht des Masseleiters, eine isolierende Schicht und die leitfähige Schicht der Signalleiter umfasst. Die Dicke der isolierenden Schicht wird dabei so gewählt, dass diese dem gewünschten Abstand D zwischen Masseleiter und den Signalleitern entspricht. Bevorzugt werden hierbei Durchkontaktierungen, sogenannte Vias, eingesetzt, um den in der Schichtstruktur innenliegenden Masseleiter elektrisch zu kontaktieren.
Zur Sicherstellung guter Eigenschaften bei der Übertragung hochfrequenter Signale, insbesondere von Signalen bis zu 60 GHz, bevorzugt bis zu 70 GHz, sollte die Geometrie der beiden Signalleiter und des Masseleiters optimal eingestellt sein. Insbesondere ist die Leiterbahnanordnung bevorzugt derart ausgebildet, dass eine Grenzfrequenz, insbesondere eine Grenzfrequenz für die Entstehung von Wellen höherer Ordnung oberhalb von 60 GHz, vorzugsweise oberhalb von 70 GHz liegt.
Bevorzugt liegt ein Verhältnis W/D der Breite W zum Abstand zwischen Masseleiter und Signalleiter im Bereich von 0,05 bis 3, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 2.
Bevorzugt liegt ein Verhältnis d/D des Abstands d zwischen den beiden Signalleitern außerhalb des Umlenkbereichs zum Abstand D zwischen Masseleiter und den Signalleitern im Bereich von 0,05 bis 3, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 1,5.
Bevorzugt liegt ein Verhältnis W_r/W der reduzierten Breite W_r der Signalleiter im Umlenkbereich gegenüber der Breite W außerhalb des Umlenkbereichs im Bereich von 0,1 bis 0,93 besonders bevorzugt im Bereich von 0,4 bis 0,8.
Bevorzugt liegt ein Verhältnis d_r/d des reduzierten Abstand d_r zwischen den beiden Signalleitern im Umlenkbereich gegenüber dem Abstand d außerhalb des Umlenkbereichs im Bereich von 0,1 bis 0,95 besonders bevorzugt im Bereich von 0,4 bis 0,8.
Die Leiterbahnanordnung ist insbesondere zur Verbindung von in einem Transistor Outline (TO) Gehäuse aufgenommenen elektronischen Bauelementen mit elektrischen Anschlusspins des TO-Gehäuses geeignet. In einer solchen Anordnung wird die Leiterbahnanordnung bevorzugt auf einem sogenannten Submount angeordnet, der auf einem Podest eines Sockels des TO-Gehäuses angeordnet ist.
In dem Umlenkbereich kann die Richtungsänderung der Signalleiter in einem oder in mehreren voneinander abgrenzbaren Abschnitten erfolgen. Hierdurch kann eine noch bessere Anpassung der Hochfrequenzeigenschaften der gebildeten differentiellen Leitung erfolgen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass innerhalb des Umlenkbereichs mindestens einer der Signalleiter zumindest eine Kante mit zwei oder mehr gekrümmte Abschnitten aufweist, wobei der Krümmungsradius mindestens zweier der gekrümmten Abschnitte unterschiedlich gewählt ist. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens einer der Signalleiter innerhalb des Umlenkbereichs eine Kante mit mindestens einem geraden Abschnitt aufweisen. Dabei kann insbesondere bei einem Signalleiter in einem Abschnitt eine der Kanten gekrümmt sein und die jeweils andere Kante gerade ausgeführt sein.
Die Leiterbahnanordnung kann zusätzliche Masseflächen aufweisen, welche insbesondere durch Strukturieren der leitfähigen Schicht und/oder der weiteren leitfähigen Schicht erhalten werden können. Entsprechend können zusätzliche Masseflächen insbesondere neben den Signalleitern angeordnet werden. Zur elektrischen Kontaktierung der Masseflächen können in dem Träger Durchkontaktierungen vorgesehen sein, um die Masseflächen von der entgegengesetzten Seite des Trägers zu kontaktieren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist das Bereitstellen eines Sockels für eine elektronische Komponente mit einem elektronischen Bauelement, welcher mindestens eine der hierin beschriebenen Leiterbahnanordnung umfasst. Der Sockel weist eine elektrische Durchführung auf und das elektronische Bauelement und die elektrische Durchführung sind beide mit den Signalleitern der Leiterbahnanordnung verbunden, so dass elektrische Signale von der Durchführung über die Signalleiter zum Bauelement geleitet werden und/oder umgekehrt.
Bei dem Sockel kann es sich insbesondere um einen Sockel für ein Transistor Outline (TO)-Gehäuse handeln. Die elektrische Durchführung kann insbesondere als eine Glas-Metall-Durchführung ausgebildet sein.
Beispiele für elektronische Bauelemente umfassen insbesondere Laserdioden und Photodioden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektronische Komponente in Form eines Bauteils mit einem Gehäuse, in welchem ein elektronisches Bauelement und die hierin beschriebene Leiterbahnanordnung eingeschlossen sind.
Die vorgeschlagene elektrische Komponente ist insbesondere für Anwendungen im Bereich der optischen Datenübertragung, beispielsweise über Glasfaserkabel, geeignet. Dabei werden durch die guten Hochfrequenzeigenschaften der Leiterbahnanordnung besonders hohe Datenübertragungsraten ermöglicht.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren und ohne Beschränkung hierauf eingehender beschrieben werden.
Es zeigen:

1: Ein schematischer Aufbau einer Leiterbahnanordnung mit zwei Signalleitern und einem Masseleiter,
2: eine Draufsicht auf eine Leiterbahnanordnung gemäß dem Stand der Technik,
3: eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leiterbahnanordnung,
4: eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leiterbahnanordnung,
5: eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Leiterbahnanordnung mit einer sich radial öffnenden Stichleitung.
6: ein Diagramm, in dem die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalleitern gemäß der zweiten Ausführungsform dargestellt sind,
7: ein Diagramm, in dem der Kopplungsfaktor zwischen Gegentakt- und Gleichtaktwellen für eine Leiterbahnanordnung gemäß der zweiten Ausführungsform dargestellt ist,
8: ein Diagramm, in dem der Einfügeverlust für eine Leiterbahnanordnung gemäß der zweiten Ausführungsformdargestellt ist,
9: ein Beispiel für einen Sockel einer elektronischen Komponente, der eine erfindungsgemäße Leiterbahnanordnung aufweist, und
10 ein zweites Beispiel für einen Sockel, bei dem die Leiterbahnanordnung zusätzliche Masseflächen aufweist.

1 zeigt schematisch eine Leiterbahnanordnung 1 in einer Schnittansicht von der Seite. Dargestellt ist eine differentielle Dreifachleitung, welche zwei Signalleiter 10, 11 und einen Masseleiter 4 umfasst.
In dem in 1 dargestellten Beispiel sind die Leiter 4, 10, 11 durch Strukturieren von leitfähigen Schichten erhalten, welche auf einen Träger 2 aufgebracht sind. In dem Beispiel der 1 ist eine leitfähige Schicht, welche durch Strukturieren die Signalleiter 10 und 11 ausbildet, auf einer Oberseite des Trägers 2 aufgebracht und eine weitere leitfähige Schicht, welche durch Strukturieren den Masseleiter 4 ausbildet, ist auf einer gegenüberliegenden Unterseite des Trägers 2 aufgebracht.
Die beiden Signalleiter 10, 11 weisen zueinander einen Abstand d auf und eine Breite W auf. Diese geometrischen Parameter der Signalleiter 10, 11 werden durch das Strukturieren der leitfähigen Schicht vorgegeben. Der Masseleiter 4 ist üblicherweise mindestens so breit ausgestaltet, dass die Breite des Masseleiters 4 größer ist als die Summe der Breiten W der Signalleiter 10, 11 und des Abstands d zwischen den beiden Signalleitern 10, 11. Die Breite des Masseleiters 4 wird ebenfalls durch entsprechendes Strukturieren der weiteren leitfähigen Schicht eingestellt. Ein Abstand D zwischen dem Masseleiter 4 und dem jeweiligen Signalleiter 10, 11 ist hier durch die Dicke des Trägers 2 vorgegeben.
Der Masseleiter 4 und die beiden Signalleiter 10, 11 sind verkoppelt. Das heißt, der Abstand der Leiter 4, 10, 11 ist so gering, dass ihre elektromagnetischen Felder sich überlappen. Bei Einleiten eines elektrischen Signals in die beiden Signalleiter 10, 11 weisen die Signalleiter 10, 11 jeweils eine Spannung U₁ und U₂ zum Masseleiter 4 auf. Zwischen den beiden Signalleitern 10, 11 besteht eine Spannung U_diff=U₁-U₂. Werden die beiden Signalleiter 10, 11 im Gegentakt also mit einer Phasendifferenz von 180° und mit gleicher Amplitude angesteuert, hat U_diff die doppelte Amplitude gegenüber einer Einzelleitung mit nur einem Signalleiter 10, 11 und einem Masseleiter 4.
Die doppelte Amplitude entsteht aber nur, wenn die Signale auf beiden Signalleitern 10, 11 eine Phasendifferenz von 180° haben.
2 zeigt eine Leiterbahnanordnung 1 gemäß dem Stand der Technik in einer Draufsicht. Ausgehend von geraden Abschnitten 21 werden die Signalleiter 10, 11 innerhalb eines Umlenkbereichs 20 um 90° umgelenkt. Der Masseleiter 4, vergleiche 1, befindet sich auf der nicht sichtbaren Unterseite und wird ebenfalls um 90° umgelenkt.
Bei einer Richtungsänderung der differenziellen Signalleiter 10, 11, wie in 2 dargestellt, geht die Symmetrie verloren, da der äußere Signalleiter 11 immer länger ist als der innere Signalleiter 10. Der innere Signalleiter 10 hat den Bogenradius R₁ und der äußere Signalleiter 11 hat den Bogenradius R₂. Der Abstand der beiden Signalleiter von Mitte zu Mitte sei P. Der Längenunterschied ΔL ergibt sich aus der Bogendifferenz des jeweiligen Viertelkreises. Mit R₂=R₁+P ergibt sich der Längenunterschied zu ΔL = π/2 *P.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leiterbahnanordnung 1. Die Leiterbahnanordnung 1 umfasst wieder zwei Signalleiter 10, 11 und einen Masseleiter 4, vergleiche 1, die auf der gegenüberliegenden Seite eines Trägers 2 angeordnet sind, so dass in der Darstellung der 3 der Masseleiter 4 nicht sichtbar ist.
Die Signalleiter 10, 11 bilden ein Leiterpaar aus werden innerhalb eines Umlenkbereichs 20 ausgehend von einem ersten geraden Abschnitt 21 um 90° umgelenkt, wobei eine Mittellinie 30, welche genau zwischen den beiden Signalleitern 10, 11 verläuft, innerhalb des Umlenkbereichs 20 ihre Richtung ändert. In dem Ausführungsbeispiel der 3 verläuft die Richtungsänderung kontinuierlich entlang eines Kreisbogens. Außerhalb des Umlenkbereichs 20 verläuft die Mittellinie 30 jeweils gerade. Nach der Richtungsänderung endet das Leiterpaar in einem weiteren geraden Abschnitt 21'.
Erfindungsgemäß geht die Mittellinie 30 ohne Sprung von den geraden Abschnitten außerhalb des Umlenkbereichs 20 in den gekrümmten Bereich innerhalb des Umlenkbereichs 20 über. Des Weiteren sind diese Übergänge in dem ersten Ausführungsbeispiel der 3 auch stetig differenzierbar, so dass die Tangente der Kreisbogenform nahtlos in die gerade verlaufenden Abschnitte übergeht.
An ihren jeweiligen Enden weisen die beiden Signalleiter 10, 11 einen ursprünglichen Abstand d zueinander auf. Innerhalb des Umlenkbereichs 20 sind die beiden Signalleiter 10, 11 enger zueinander angeordnet, so dass diese dort einen reduzierten Abstand d_r zueinander aufweisen. Innerhalb von Übergangsbereichen 23 wird der Abstand der Signalleiter 10, 11 von dem ursprünglichen Abstand d auf den reduzierten Abstand d_r verringert.
Vorteilhafter Weise liegt somit an nicht-kritischen Stellen der größere ursprüngliche Abstand d vor, der eine einfachere Fertigung und insbesondere eine einfache elektrische Kontaktierung der Signalleiter 10, 11 erlaubt. Innerhalb des Umlenkbereichs 20 hingegen wird zur Reduzierung von Laufzeitdifferenzen der reduzierte Abstand d_r verwendet, der bevorzugt so eng gewählt ist, wie es die Fertigungsverfahren gestatten, ohne dass es zu unerwünschten Abweichungen oder gar Kurzschlüssen zwischen den Signalleitern 10, 11 kommt.
In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Signalleiter 10, 11 innerhalb des Umlenkbereichs 20 eine reduziert Breite W_r auf. Die Breite der Signalleiter 10, 11 wird dabei in Einschnürbereichen 22 reduziert, welche in dem dargestellten ersten Beispiel identisch mit den Übergangsbereichen 23 sind. Somit erfolgen hier die Reduzierung der Breite und des Abstands der Signalleiter 10, 11 gleichzeitig.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leiterbahnanordnung 1. Wie bei der in 3 dargestellten ersten Ausführungsform umfasst die Leiterbahnanordnung 1 wieder zwei Signalleiter 10, 11 und einen Masseleiter 4, vergleiche 1, die auf der gegenüberliegenden Seite eines Trägers 2 angeordnet sind, so dass in der Darstellung der 4 der Masseleiter 4 nicht sichtbar ist. Wie zuvor im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform der 3 beschrieben, wird das durch die Signalleiter 10, 11 gebildete Paar um 90° umgelenkt. Wie bei der ersten Ausführungsform schließt sich an einen ersten geraden Abschnitt 21 ein erster Übergangsbereich 23 zu dem Umlenkbereich 20 an. Das Leiterpaar verlässt den Umlenkbereich 20 an einem zweiten Übergangsbereich 23' und endet in dem zweiten geraden Abschnitt 21'.
Zusätzlich zu der ersten Ausführungsform der 3 wird eine Laufzeitdifferenz von Signalen zwischen dem inneren Signalleiter 10 und dem äußeren Signalleiter 11 nicht nur durch den reduzierten Abstand d_r innerhalb des Umlenkbereichs 20 verringert. In der zweiten Ausführungsform der 4 ist zusätzlich im Umlenkbereich 20 eine Kapazität an den inneren Signalleiter 10 angeschlossen, die hier beispielhaft als eine Stichleitung 24 mit Länge L_L ausgestaltet ist.
Die Stichleitung 24 zeigt nach innen und ist in diesem Beispiel 45° zur Richtung der Mittellinien 30 außerhalb des Umlenkbereichs 20, also gegenüber der Ausrichtung der geraden Abschnitte, gedreht. Die Stichleitung 24 kann auch an anderen Stellen innerhalb des Umlenkbereichs 20 an den inneren Signalleiter 10 angebracht sein. Je nach Platzverhältnissen kann die Stichleitung 24 auch unter einem anderen Drehwinkel platziert sein.
Durch die Belastung des inneren Signalleiters 10 mit der durch die Stichleitung 24 bereitgestellten elektrische Kapazität verringert sich eine Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Signals in dem inneren Signalleiter 10 gegenüber dem äußeren Signalleiter 11. Dabei wird durch die Wahl der Geometrie der Stichleitung 24, insbesondere durch die Wahl der Länge L_L, die Kapazität so eingestellt, dass durch die verringerte Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals die durch die Umlenkung verursachte und durch den reduzierten Abstand d_r nicht vollständig ausgeglichene Laufzeitdifferenz kompensiert wird.
In der Ausführungsform der 4 ist das Anbringen der Kapazität an den inneren Signalleiter 10 in Kombination mit dem Reduzieren des Abstands zwischen den Signalleitern 10, 11 und der Breite der Signalleiter 10, 11 im Umlenkbereich 20 dargestellt. Dies hat den Vorteil, dass nur noch eine geringere Laufzeitdifferenz durch das Einbringen der elektrischen Kapazität ausgeglichen werden muss. Es ist aber selbstverständlich möglich, das Ausgleichen der Signallaufzeiten unter Verwendung der Kapazität, insbesondere der Stichleitung 24, auch ohne das Verringern des Abstands und/oder ohne eine Verringerung der Breite Wder Signalleiter 10, 11 vorzunehmen.
5 zeigt eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der Leiterbahnanordnung 1. Das dritte Beispiel entspricht dem mit Bezug zur 4 beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel, wobei die Geometrie der Stichleitung 24 in diesem dritten Beispiel verschieden ausgestaltet ist.
Die Stichleitung 24 ist hier mit einem Fächer 25 versehen, welcher elektrisch leitfähig ist und insbesondere in Verbindung mit dem Masseleiter 4 auf der gegenüberliegenden Seite des Trägers 2 eine elektrische Kapazität ausbildet.
Bei Verwendung eines Fächers 25, wie in 5 dargestellt, kann die für das Erreichen einer bestimmten elektrischen Kapazität benötigte Länge der Stichleitung 24 gegenüber dem zweiten Beispiel der 4 verringert werden. Hierdurch kann insbesondere bei Auslegung der Leiterbahnanordnung 1 für elektrische Signale mit hohen Frequenzen das Kriterium, dass die Länge der Stichleitung 24 kleiner als ein Viertel der Signalwellenlänge sein sollte, leichter eingehalten werden. Des Weiteren kann hierdurch der Platzbedarf der Stichleitung 24 verringert werden, was das Anordnung der Stichleitung 24 auf dem Träger 2 vereinfacht.
In den Diagrammen der 6 bis 8 sind Phasendifferenz, Kopplungsfaktor und Einfügeverlust für ein Beispiel einer differentiellen Leitung gemäß der in der 4 dargestellten zweiten Ausführungsform aufgetragen.
Als Träger 2 wurde in diesem Beispiel ein 0,254 mm dicker Aluminiumnitrid Träger gewählt. Auf beiden Seiten des Trägers wurden leitfähige Schichten in Dünnschichttechnologie aufgetragen und strukturiert. Außerhalb des Umlenkbereichs beträgt der Abstand d zwischen den beiden Signalleitern 75 µm und die Signalleiter weisen jeweils eine Leitungsbreite W von 91 µm auf. Der reduzierte Abstand d_r der beiden Signalleiter zueinander beträgt 45 µm. Die Leitungsbreite W beträgt 57 µm, so dass eine differentielle Impedanz von 100 Ohm erhalten wird. Damit errechnet sich der Mitte zu Mitte Abstand P = 102 µm und der Wegunterschied ist ΔL = 160 µm. Soll der Wegunterschied für ein verzerrungsarme Übertragung nicht größer als λ/10 sein, darf die Signalfrequenz nicht größer als f_max = 63 GHz sein.
Durch die an dem inneren Signalleiter 10 angebrachte Kapazität in Form der Stichleitung 24 wird die Geschwindigkeit des Signals in dem inneren Signalleiter 10 gegenüber der Geschwindigkeit im äußeren Signalleiter 11 reduziert, so dass der Phasenunterschied weiter verringert ist. In den Diagrammen sind jeweils Kurven für verschiedene Längen L_L der Stichleitung 24 dargestellt, nämlich 0 µm, 250 µm, 350 µm, 450 µm und 550 µm.
6 zeigt die Phasendifferenz in ° zwischen den beiden Signalleitern gegenüber der Frequenz in GHz.
Hierbei ist zu erkennen, dass sich die Phasendifferenz durch die Wahl der Länge L_L der Stichleitung beeinflussen lässt, wobei in dem vorliegenden Beispiel die Phasendifferenz für eine Länge L_L von 550 µm minimal wird. Bei der Frequenz 30 GHz wird die Phasendifferenz in diesem Beispiel null. Der Längenunterschied ist somit für diesen Fall vollständig kompensiert. Auch über den gesamten Frequenzbereich bis zu 55 GHz wird die Phasendifferenz noch deutlich gegenüber dem Beispiel ohne Stichleitung, also mit einer Länge L_L von 0, kompensiert. Im Frequenzbereich von 0 bis 50 GHz bleibt die Phasendifferenz unter 10° und steigt auch für noch höhere Frequenzen nicht stark an.
7 zeigt den Kopplungsfaktor zwischen Gegentakt- und Gleichtaktwellen in dB gegen die Frequenz in GHz für eine Leiterbahnanordnung gemäß der zweiten Ausführungsform der 4.
Je geringer der Koppelfaktor ist, desto geringer ist die Phasendifferenz. Entsprechend ist ein möglichst geringer Kopplungsfaktor wünschenswert. Auch hier wird die geringste Kopplung wieder für eine Länge L_L der Stichleitung von 550 µm erreicht.
8 zeigt den Einfügeverlust in dB für die Gegentaktwelle gegen die Frequenz in GHz für eine Leiterbahnanordnung gemäß der zweiten Ausführungsform der 4.
Das durch die Stichleitung an dem inneren Signalleiter 1 die Gegentaktwellen nur wenig gestört wird zeigt die in dem Diagramm der 8 erkennbare geringe Einfügedämpfung der Gegentaktwelle. Erst ab einer Frequenz von 45 GHz weicht die Einfügedämpfung bei den Beispielen mit einer der Stichleitungslänge größer 0 von der Eingefügedämpfung ohne Stichleitung ab. Bei 55 GHz ist die Zusätzliche Dämpfung ca. 1 dB.
Für alle Beispiele ist die Zunahme in dem untersuchten Frequenzbereich bis 50 GHz moderat und wirkt sich erst bei Frequenzen oberhalb von 50 GHz nennenswert aus. In diesem Beispiel wäre mit einer Länge L_L der Stichleitung von 550 µm somit die beste Reduktion der Laufzeitunterschiede bei nur geringer Einfügedämpfung erreicht.
9 zeigt einen Sockel 100 für ein elektronisches Bauelement, der eine der erfindungsgemäßen Leiterbahnanordnungen 1 umfasst.
Der Sockel 100 ist beispielweise aus einem Metall gefertigt und weist eine Durchgangsöffnung 102 auf, durch die in dem Beispiel der 9 zwei elektrische Leiter in Form von Pins 106 hindurchgeführt sind. Die Pins 106 werden durch ein Fixiermaterial 104 gehalten, welches elektrisch isolierend ist und die Durchgangsöffnung 102 verschließt. Das Fixiermaterial 104 ist beispielsweise ein Glas oder eine Glaskeramik.
Auf einer Oberfläche des Sockels 100 befindet sich in der Nähe der Durchgangsöffnung 102 ein Podest 110, auf dem der Träger 2 der Leiterbahnanordnung 1 aufgebracht ist. Dabei kann insbesondere ein auf der in der 9 nicht sichtbaren Unterseite des Trägers 2 angeordneter Masseleiter 4 elektrisch mit dem Podest 110 und dem Sockel 100 verbunden sein, so dass diese Teile alle auf Massepotential liegen.
Wie aus der 9 ersichtlich sind die Signalleiter 10, 11 der Leiterbahnanordnung 1 an einem ersten Ende so ausgebildet und angeordnet, dass diese den Pins 106 direkt gegenüberliegen und bevorzugt direkt an diese angrenzen. Auf diese Weise lässt sich leicht über eine Lötstelle 108 eine elektrische Verbindung zwischen den Pins 106 und den Signalleitern 10, 11 herstellen.
An ihrem anderen Ende sind die Signalleiter 10, 11 so angeordnet und ausgebildet, dass diese eine Kontaktstelle 130 für die Kontaktierung eines (nicht dargestellten) elektronischen Bauelements bereitstellen. Ein solches elektronisches Bauelement kann beispielsweise eine Laserdiode oder eine Photodiode sein. Bezogen auf eine Mittellinie 30, siehe 3 bis 5, verläuft das Paar von Signalleitern 10, 11 ausgehend von dem den Pins 106 zugewandten ersten Ende zunächst gerade und erreicht dann einen Umlenkbereich 20, vergleiche 3 bis 5, in dem die Richtung um 90° umgelenkt wird, um dann wieder gerade bis zu dem zweiten Ende zu verlaufen. Die in dem Beispiel der 9 gezeigte Leiterbahnanordnung 1 entspricht der bereits mit Bezug zur 5 beschriebenen dritten Ausführungsform der Leiterbahnanordnung 1. Entsprechend verfügt die Leiterbahnanordnung 1 über eine Stichleitung 24 mit einem Fächer 25, die als Kapazität dient und die Signalausbreitungsgeschwindigkeit in dem inneren Signalleiter 10 innerhalb des Umlenkbereichs 20 verringert. Dadurch wird ein Teil einer Laufzeitdifferenz ausgeglichen, der auch nach dem Verringern des Abstands zwischen den beiden Signalleitern 10, 11 in dem Umlenkbereich 20 verbleibt.
10 zeigt ein weiteres Beispiel für einen Sockel 100 für ein elektronisches Bauelement. Der Sockel weist wie bereits mit Bezug zur 9 beschrieben einen auf einem Podest 110 angeordneten Träger 2 mit einer Leiterbahnanordnung 1 auf. Die auf dem Podest 110 platzierte Leiterbahnanordnung 1 ist ähnlich zu der mit Bezug zur 4 beschriebenen zweiten Variante der Leiterbahnanordnung 1, weist jedoch zusätzliche Masseflächen 120 auf, die beabstandet von den Signalleitern 10, 11 freie Bereiche des Trägers 2 bedecken. Zur Kontaktierung der Masseflächen 120 mit dem Massepotential des Sockels 100 bzw. des Podests 110 sind Durchkontaktierungen 122, auch Vias genannt, vorgesehen. Die Masseflächen 120 dienen als zusätzliche Abschirmung der durch die Signalleiter 10, 11 und dem in der 10 nicht sichtbaren Masseleiter 4 gebildeten differentiellen Leitung.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Bezugszeichenliste

1: Leiterbahnanordnung
2: Träger
4: Masseleiter
10: (innerer) Signalleiter
11: (äußerer) Signalleiter
20: Umlenkbereich
21: gerader Abschnitt
21': zweiter gerader Abschnitt
22: Einschnürbereich
22': zweiter Einschnürbereich
23: Übergangsbereich
23': zweiter Übergangsbereich
24: Stichleitung
25: Fächer
30: Mittellinie
Udiff: Differenzspannung zwischen den Signalleitern
U1: Spannung zwischen innerem Signalleiter und Masseleiter
U2: Spannung zwischen äußerem Signalleiter und Masseleiter
d: Abstand zwischen innerem und äußeren Signalleiter
dr: reduzierter Abstand zwischen innerem und äußeren Signalleiter
D: Abstand zwischen Masseleiter und Signalleiter
W: Breite eines Signalleiters
Wr: reduzierte Breite eines Signalleiters
R1: Krümmungsradius innerer Signalleiter
R2: Krümmungsradius äußerer Signalleiter
P: Differenz der Krümmungsradien
LL: Länge der Stichleitung
100: Sockel
102: Öffnung
104: Fixiermaterial
106: Pin
108: Lötstelle
110: Podest
120: Massefläche
122: Durchkontaktierung
130: Kontaktstelle elektronischen Bauelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1020201057725 [0002]
US 9461677 B1 [0009]

Claims

Leiterbahnanordnung (1) für hochfrequente Signale umfassend einen Träger (2), einen Masseleiter (4) und ein auf dem Träger (2) gegenüber dem Masseleiter (4) angeordnetes Paar von schichtförmigen Signalleitern (10, 11), wobei zwischen den beiden Signalleitern (10, 11) des Paares ein Abstand d vorliegt, und wobei das Paar von Signalleitern (10, 11) einen Umlenkbereich (20) umfasst, in dem sich eine Richtung des Paars von Signalleitern (10, 11) ändert, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Umlenkbereichs (20) zwischen den Signalleitern (10, 11) des Paares ein reduzierter Abstand d_r vorliegt, der gegenüber einem Abstand d der Signalleiter (10, 11) außerhalb des Umlenkbereichs (20) verringert ist, wobei der Abstand der Signalleiter in Übergangsbereichen (23) von geraden Abschnitten (21) der Signalleiter (10, 11) in den Umlenkbereich (20) symmetrisch zu einer Verlängerung einer Mittellinie (30) zwischen den beiden Signalleitern (10, 11) in den jeweiligen geraden Abschnitten reduziert ist, und/oder eine Kapazität in den in Bezug auf die Richtungsänderung inneren Signalleiter (10) eingebracht ist durch Anordnen einer leerlaufenden Stichleitung (24), welche mit dem inneren Signalleiter (10) innerhalb des Umlenkbereichs (20) elektrisch verbunden ist.
Leiterbahnanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der reduzierte Abstand d_r und/oder eine Anordnung und/oder Form der Stichleitung (24) derart gewählt ist, dass für ein von den Signalleitern (10, 11) geführtes Signal eine von der Richtungsänderung der Signalleiter (10, 11) verursachte Phasendifferenz zwischen den beiden Signalleitern (10, 11) minimiert wird.
Leiterbahnanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung des Abstand d zwischen den beiden Signalleitern (10, 11) auf den reduzierten Abstand d_r innerhalb des Umlenkbereichs stetig ist und keine Stufe aufweist.
Leiterbahnanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleiter (10, 11) in dem Umlenkbereich (20) einen Koppelfaktor zwischen der Gleichtakt- und der Gegentaktwelle von höchstens -10dB aufweisen.
Leiterbahnanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseleiter (4) als weitere leitfähige Schicht ausgebildet ist und dass ein Schichtabstand (D) zwischen der weiteren leitfähigen Schicht und der leitfähigen Schicht der Signalleiter (10, 11) im Bereich von 0,025 mm bis 0,65 mm, bevorzugt im Bereich von 0,05 mm bis 0,4 mm liegt.
Leiterbahnanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar von Signalleitern (10, 11) auf einer ersten Seite des Trägers (2) angeordnet ist und der Masseleiter (4) in Form einer weiteren leitfähigen Schicht auf einer zweiten Seite des Trägers (2) ausgebildet ist.
Leiterbahnanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis d_r/d des reduzierten Abstands d_r zwischen den beiden Signalleitern (10, 11) im Umlenkbereich (20) gegenüber dem Abstand d außerhalb des Umlenkbereichs (20) im Bereich von 0,1 bis 0,95, bevorzugt im Bereich von 0,4 bis 0,8 liegt.
Leiterbahnanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis W_r/W der reduzierten Breite W_r der Signalleiter (10, 11) im Umlenkbereich gegenüber der Breite W außerhalb des Umlenkbereichs im Bereich von 0,1 bis 0,93 liegt, bevorzugt im Bereich von 0,4 bis 0,8 liegt.
Leiterbahnanordnung (1) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Breite W der beiden Signalleiter (10, 11) innerhalb eines Einschnürbereichs (22) erfolgt, welcher außerhalb des Umlenkbereichs (20) liegt.
Leiterbahnanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Stichleitung (24) kürzer als ein Viertel der Wellenlänge der höchsten Frequenz gewählt wird, für die die Leiterbahnanordnung (1) ausgelegt ist.
Leiterbahnanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stichleitung (24) eine leitfähige Fläche aufweist, bevorzugt in Form eines Fächers (25).
Leiterbahnanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale: - die Leiterbahnanordnung (1) ist auf einem Submount angeordnet, - der Träger (2) umfasst Aluminiumnitrid-Keramik, eine Aluminiumnitrid enthaltende Keramik, Aluminiumoxid (Al₂O₃), Glas, oder Glas und Keramik - ein Verhältnis W/D der Breite W der Signalleiter (10, 11) zum Abstand D zwischen Masseleiter (4) und Signalleiter (10, 11) liegt im Bereich von 0,05 bis 3, bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 2 - ein Verhältnis d/D des Abstands d zwischen beiden Signalleitern (10, 11) außerhalb des Umlenkbereichs (20) zum Abstand D zwischen Masseleiter (4) und den Signalleitern (10, 11) liegt im Bereich von 0,05 bis 3, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 1,5, - die Leiterbahnanordnung (1) ist derart ausgebildet, dass eine Grenzfrequenz, insbesondere eine Grenzfrequenz für die Entstehung von Wellen höherer Ordnung oberhalb von 60 GHz, vorzugsweise oberhalb von 70 GHz liegt.
Leiterbahnanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale: - mindestens einer der Signalleiter (10, 11) weist innerhalb des Umlenkbereichs (20) zumindest eine Kante mit zwei oder mehr gekrümmte Abschnitten auf, wobei der Krümmungsradius mindestens zweier der gekrümmten Abschnitte unterschiedlich gewählt ist, - mindestens einer der Signalleiter (10, 11) weist innerhalb des Umlenkbereichs (20) eine Kante mit mindestens einem gerade Abschnitt auf.
Sockel (100) für eine elektronische Komponente mit einem elektronischen Bauelement und einer Leiterbahnanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sockel (100) eine elektrische Durchführung aufweist, und wobei das elektronische Bauelement und die elektrische Durchführung beide mit dem Signalleiter (10, 11) der Leiterbahnanordnung (1) verbunden sind, so dass elektrische Signale von der Durchführung über die Signalleiter (10, 11) zum Bauelement geleitet werden.
Elektronische Komponente in Form eines Bauteils mit einem Gehäuse, in welchem ein elektronisches Bauelement und die Leiterbahnanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche eingeschlossen sind.