DE102021204296A1

DE102021204296A1 - Radarvorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Radarvorrichtung

Info

Publication number: DE102021204296A1
Application number: DE102021204296.1A
Authority: DE
Inventors: Armin Himmelstoss; Andreas Kugler; Christian Silber; Ralph Nyilas; Markus Gonser; Klaus Baur; Philipp Ritter; Werner Soergel; Corinne Grevent
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2021-04-29
Publication date: 2022-11-03
Also published as: WO2022229169A1; CN117581111A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radarvorrichtung, mit einer Leiterplatte, einem Signalerzeugungsschaltkreis, welcher zumindest mittelbar auf der Leiterplatte angeordnet ist, mit der Leiterplatte elektrisch gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, ein Radarsignal zu generieren, einer Wellenleiterantenneneinrichtung, welche zumindest mittelbar auf der Leiterplatte angeordnet ist, und einer Wellenleiterkoppeleinrichtung, wobei der Signalerzeugungsschaltkreis auf oder in der Wellenleiterkoppeleinrichtung angeordnet ist, und wobei die Wellenleiterkoppeleinrichtung dazu ausgebildet ist, das von dem Signalerzeugungsschaltkreis generierte Radarsignal in die Wellenleiterantenneneinrichtung einzukoppeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radarvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Radarvorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Radarvorrichtung zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Vernetzte Fahrzeuge sowie assistiertes und autonomes Fahren werden eine zunehmend größere Rolle spielen. Dabei ist die Erfassung der Fahrzeugumgebung von besonderer Bedeutung. Neben Kamerasystemen werden mit steigendem Autonomiegrad zunehmend Sensoren eingesetzt, die genauere Geschwindigkeitsschätzungen liefern und auch bei schlechten Lichtverhältnissen gute Messergebnisse liefern. Radar ist eine solche Technologie, die auch bei völliger Dunkelheit oder gegen die Sonne zuverlässig arbeitet.
Ursprünglich wurden Radargeräte für Komfortfunktionen wie den adaptiven Tempomat eingesetzt. Seitdem hat sich die Sensortechnik stark weiterentwickelt und heute stehen Sicherheitsaspekte im Vordergrund. Vor allem die Sicherheitsklassifizierung der New-Car-Assessment-Program-Organisationen (NCAP) verlangt für eine gute Bewertung nicht nur Sicherheit im Crashtest, sondern auch Systeme, die Unfälle erst gar nicht entstehen lassen. So gehören zum Beispiel Assistenten zur Erkennung von Objekten im toten Winkel zur Standardausstattung von Neufahrzeugen, ebenso wie Spurwechselassistenten. Auch Notbremsassistenten sind erforderlich, allerdings nicht nur für einfache Szenarien zwischen Fahrzeugen, sondern auch für Szenarien, an denen so genannte verletzliche Verkehrsteilnehmer beteiligt sind, z.B. Fußgänger oder Radfahrer.
Für die Radarsensorik bedeutet dies stetig steigende Anforderungen an die Empfindlichkeit und das Trennvermögen, was hohe Anforderungen an das Antennenfeld des Radarsensors stellt. Gleichzeitig sollen die Kosten geringgehalten werden. Kostenreduktion kann dabei durch Integration erfolgen, z.B. durch die Integration von elektrischer Signalerzeugung, -übertragung, - empfang und -verarbeitung in ein einziges System on Chip (SoC).
Bei derartigen Single-Chip-Ansätzen gibt es keine Hochfrequenz-Verbindungen mehr zwischen den Chips auf der Platine. Die konventionell eingesetzte Patch-Antenne ist daher das einzige verbleibende Element, das die Leiterplatte bei hohen Frequenzen beansprucht. Die Sensorgröße wird primär durch die Patch-Antennen bestimmt, die einen erheblichen Teil des Platzes auf der Hochfrequenz-Leiterplatte einnehmen.
Abgesehen von Formfaktor und Größe ist eine weitere Einschränkung der heutigen Patch-Antennen ihre begrenzte Betriebsfrequenzbandbreite. Neuere Automobil-Radarsensoren haben erhöhte Anforderungen an die räumliche Auflösung, die sich in Betriebsbandbreiten von 4 GHz bis 5 GHz niederschlagen. Während konventionelle Patch-Antennen-Arrays typischerweise schmalbandiger sind, können Wellenleiter (Wave-Guide)-Antennen Bandbreiten von bis zu etwa 10 GHz abdecken. Darüber hinaus versprechen Wellenleiterantennen im Vergleich zu heutigen Patch-Antennen einen besseren Wirkungsgrad, geringere Verluste und ein größeres Sichtfeld. Ein beispielhaftes Wellenleiter-Interface ist aus der US 2020/0365971 A1 bekannt.
Ein Übergang zu einer solchen Antennentechnologie könnte daher die Leiterplattengröße und die Sensorgröße erheblich reduzieren und gleichzeitig die Leistung des Radarsensors verbessern. Wenn zusätzlich der Radarchip direkt in eine solche Wellenleiterantenne einkoppeln könnte, würde dies den Einsatz billiger Leiterplatten ermöglichen und damit den Weg zu günstigeren und besseren Radarsensoren ebnen.
Eine direkte Kopplung zwischen dem Radarchip und einer Wellenleiterantenne wird durch Wellenleiterkoppeleinrichtungen realisiert, welche auch als Wellenleiter-Launcher bezeichnet werden. Diese Wellenleiterkoppeleinrichtungen müssen in das Radarchip-Paket integriert werden, so dass kein Millimeterwellensignal auf der Leiterplatte übertragen wird.
Wellenleiterantenne und Radarchip können dabei auf gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte montiert sein, sodass ein Übergang über die Leiterplatte erforderlich ist. Dabei müssen die Übergänge präzise, glatt und gleichmäßig metallisiert sein, um eine gute Millimeterwellen-Übertragungsleistung zu erzielen. Weiter befindet sich die Kühlung auf der Oberfläche des Gehäuses, was im Allgemeinen weniger effizient ist als eine Kühlung auf der Rückseite.
Alternativ kann das Millimeterwellensignal nicht durch die Leiterplatte übertragen werden, sondern direkt in die Hohlleiterantenne eingekoppelt werden. Das Leiterplattenmaterial kann daher kostenoptimiert werden, ohne dass Millimeterwellenanforderungen und -einschränkungen bestehen. Auch die Wärmeableitung kann durch das Anbringen von Kühlkörpern sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite des Chips optimiert werden. Da die Millimeterwelle jedoch über die Moldmasse geleitet wird, kann jede Änderung der elektrischen Eigenschaften, z. B. beim Herstellungsprozess, durch eine sich ändernde Temperatur oder das Alter, die Dämpfung im Millimeterwellen-Signalpfad verändern oder verschlechtern. Darüber hinaus ist die Herstellung solcher Gehäuse komplex, was sowohl zu einer schwierigen Erfüllung der geforderten Toleranzen für geringe Hochfrequenz-Verluste und Leckagen als auch zu hohen Herstellungskosten führt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine Radarvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Radarvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Radarvorrichtung, mit einer Leiterplatte, einem Signalerzeugungsschaltkreis, welcher zumindest mittelbar auf der Leiterplatte angeordnet ist, mit der Leiterplatte elektrisch gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, ein Radarsignal zu generieren, einer Wellenleiterantenneneinrichtung, welche zumindest mittelbar auf der Leiterplatte angeordnet ist, und einer Wellenleiterkoppeleinrichtung, wobei der Signalerzeugungsschaltkreis auf oder in der Wellenleiterkoppeleinrichtung angeordnet ist, und wobei die Wellenleiterkoppeleinrichtung dazu ausgebildet ist, das von dem Signalerzeugungsschaltkreis generierte Radarsignal in die Wellenleiterantenneneinrichtung einzukoppeln.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Radarvorrichtung, mit den Schritten: Bereitstellen einer Leiterplatte; Anordnen eines Signalerzeugungsschaltkreises zumindest mittelbar auf der Leiterplatte, wobei der Signalerzeugungsschaltkreis mit der Leiterplatte elektrisch gekoppelt wird und dazu ausgebildet ist, ein Radarsignal zu generieren; Ausbilden einer Wellenleiterkoppeleinrichtung zumindest mittelbar auf der Leiterplatte, wobei der Signalerzeugungsschaltkreis auf oder in der Wellenleiterkoppeleinrichtung angeordnet wird; und Anordnen einer Wellenleiterantenneneinrichtung zumindest mittelbar auf der Leiterplatte, wobei die Wellenleiterkoppeleinrichtung dazu ausgebildet wird, das von dem Signalerzeugungsschaltkreis generierte Radarsignal in die Wellenleiterantenneneinrichtung einzukoppeln.
Vorteile der Erfindung
Die Radarvorrichtung kann einfach und kostengünstig hergestellt werden, während die Millimeterwellenverluste geringgehalten werden können. Weiter kann die Radarvorrichtung gute Eigenschaften hinsichtlich der Bandbreite, der Systemkosten, der mechanischen Stabilität und der Zuverlässigkeit aufweisen.
Die Leiterplatte kann dazu vorgesehen sein, nur Niederfrequenzsignale zu übertragen. Weiter bietet die Leiterplatte eine gemeinsame mechanische Basis für den Signalerzeugungsschaltkreis (Radarchip) und die Wellenleiterantenneneinrichtung. Sie wird nicht für die Übertragung oder Leitung von Millimeterwellensignalen verwendet und kann daher in einem kostengünstigen Standardprozess implementiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Radarvorrichtung weist die Wellenleiterkoppeleinrichtung eine Moldmasse (englisch: mold compound) auf, welche den Signalerzeugungsschaltkreis zumindest teilweise umgibt. Die Moldmasse kann mittels Transfermolding aufgebracht werden. Die Moldmasse schützt den Signalerzeugungsschaltkreis vor Umgebungsstress und Stößen, etwa während der Montage der Radarvorrichtung. Die Radarvorrichtung kann jedoch gemäß anderen Ausführungsformen auch keine Moldmasse aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Radarvorrichtung weist die Wellenleiterkoppeleinrichtung einen Interposer auf, welcher dazu ausgebildet ist, das von dem Signalerzeugungsschaltkreis generierte Radarsignal zu der Wellenleiterantenneneinrichtung zu leiten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Radarvorrichtung weist der Interposer einen integrierten-Wellenleiter-Abschnitt auf, um das von dem Signalerzeugungsschaltkreis generierte Radarsignal zu der Wellenleiterantenneneinrichtung zu leiten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Radarvorrichtung weist der Interposer einen Impedanz-Anpassungs-Abschnitt auf, um das von dem Signalerzeugungsschaltkreis generierte Radarsignal zu der Wellenleiterantenneneinrichtung zu leiten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Radarvorrichtung ist zwischen der Wellenleiterkoppeleinrichtung und der Wellenleiterantenneneinrichtung zumindest abschnittsweise ein Luftspalt ausgebildet. Je nach Wahl der Materialien für die verschiedenen Komponenten der Radarvorrichtung und ihrer mechanischen Eigenschaften (insbesondere ihrer relativen Ausdehnung) ermöglicht der Luftspalt den Ausgleich der Spannungen in der Radarvorrichtung bei kleinen Bewegungen der verschiedenen Komponenten relativ zueinander. Die Kopplung zwischen Leiterplatte und Wellenleiterantenneneinrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass ein Spannungsausgleich und kleine Bewegungen möglich sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Radarvorrichtung liegt die Wellenleiterantenneneinrichtung beweglich bzw. verschiebbar direkt oder über kleine Stifte auf der Leiterplatte auf. Dadurch können die Reibungen zwischen Hohlleiter und Leiterplatte reduziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Radarvorrichtung eine Verbindungsschicht, welche die Wellenleiterkoppeleinrichtung zumindest abschnittsweise mit der Wellenleiterantenneneinrichtung verbindet. In dieser Ausführungsform ist somit kein Luftspalt oder nur teilweise ein Luftspalt zwischen der Wellenleiterkoppeleinrichtung und der Wellenleiterantenneneinrichtung ausgebildet. Dadurch kann die mechanische Stabilität erhöht werden. Die verwendeten Materialien können dabei entsprechend ihrer Materialeigenschaften ausgewählt werden. Insbesondere werden die Ausdehnungseigenschaften von Wellenleiterkoppeleinrichtung, Hohlleiterantenneneinrichtung und Leiterplatte aufeinander abgestimmt. Durch die Verbindung der Strukturen weist die Radarvorrichtung geringe HF-Verluste auf, die am Übergang zwischen dem Interposer der Wellenleiterkoppeleinrichtung und der Übergangsstruktur zur Wellenleiterantenneneinrichtung auftreten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Verbindungsschicht lediglich zwischen Wellenleiterkoppeleinrichtung und Wellenleiterantenneneinrichtung. Es besteht jedoch keine feste Verbindungsschicht zwischen der Wellenleiterantenneneinrichtung und der Leiterplatte. Dadurch wird einerseits eine effiziente Übertragung des HF-Signals von der Wellenleiterkoppeleinrichtung zur Wellenleiterantenneneinrichtung mit geringen Verlusten ermöglicht. Andererseits werden kleine Bewegungen der Komponenten relativ zueinander weiterhin ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Radarvorrichtung weist die Wellenleiterantenneneinrichtung ein Substrat und eine auf dem Substrat angeordnete Abdeckung auf, wobei mindestens ein Wellenleiter zumindest abschnittsweise zwischen dem Substrat und der Abdeckung ausgebildet ist. Dadurch ist die Radarvorrichtung kostengünstig herstellbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Radarvorrichtung mindestens einem Kühlkörper auf, welches mit dem Signalerzeugungsschaltkreis und/oder der Leiterplatte zumindest indirekt verbunden ist, um Wärme abzuleiten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Radarvorrichtung ist der Signalerzeugungsschaltkreis eine System-on-a-Chip-Schaltkreis oder ein Monolithic-Microwave-Integrated-Circuit, MMIC.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Radarvorrichtung ist an der Leiterplatte auf einer dem Signalerzeugungsschaltkreis gegenüberliegenden Seite ein Kühlkörper angeordnet. Dadurch kann ein effizienter Wärmetransfer ermöglicht werden.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
5 eine schematische Draufsicht und Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
6 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
7 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
8 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung;
9 eine schematische Draufsicht auf die in 8 gezeigte Radarvorrichtung;
10 eine schematische Draufsicht auf eine Radarvorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung;
11 eine schematische Draufsicht auf eine Radarvorrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung;
12 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung;
13 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer zwölften Ausführungsform der Erfindung;
14 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der Erfindung;
15 eine schematische Draufsicht auf die in 14 gezeigte Radarvorrichtung;
16 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer vierzehnten Ausführungsform der Erfindung;
17 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer fünfzehnten Ausführungsform der Erfindung;
18 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer sechzehnten Ausführungsform der Erfindung;
19 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer siebzehnten Ausführungsform der Erfindung;
20 eine schematische Draufsicht auf die in 19 gezeigte Radarvorrichtung;
21 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer achtzehnten Ausführungsform der Erfindung;
22 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer neunzehnten Ausführungsform der Erfindung;
23 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer zwanzigsten Ausführungsform der Erfindung;
24 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer einundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung;
25 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung;
26 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung gemäß einer dreiundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung; und
27 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Radarvorrichtung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 100. Die Radarvorrichtung 100 umfasst eine Leiterplatte 109 (gedruckte Leiterplatte, englisch: printed circuit board, PCB) mit einer oder mehreren Metallisierungsschichten 106. Mit der Metallisierungsschicht 106 ist ein Signalerzeugungsschaltkreis 108 gekoppelt, wobei dieser in eine Wellenleiterkoppeleinrichtung integriert ist.
Die Wellenleiterkoppeleinrichtung weist eine Moldmasse 103 auf, welche den Signalerzeugungsschaltkreis 108 auf einer von der Leiterplatte 109 weg zeigenden Seite umgibt. Die Wellenleiterkoppeleinrichtung weist weiter einen Interposer 104 mit einer oder mehreren Metallisierungsschichten 105 auf. Die Metallisierungsschichten 105, 106 können zumindest teilweise aus Kupfer bestehen. Es können auch abweichend mehr oder weniger Metallisierungsschichten vorgesehen sein.
Der Interposer 104 ist in den äußeren Bereichen nicht von der Moldmasse 103 umgeben, um eine verlustarme Einkopplung von der Wellenleiterkoppeleinrichtung in eine Wellenleiterantenneneinrichtung 102 zu ermöglichen. Der Interposer 104 kann beispielsweise eine Größe zwischen 11×11 mm² und 20×20 mm² aufweisen.
Der Signalerzeugungsschaltkreis 108 ist auf dem Interposer 104 angeordnet und der Interposer 104 ist über Solder-Bälle oder Pads 107 mit der Leiterplatte 109 verbunden, sodass ein Ball-Grid-Array (BGA)- oder Land-Grid-Array (LGA)-artiges Gehäuse gebildet wird. Der Signalerzeugungsschaltkreis 108 ist ein Monolithic-Microwave-Integrated-Circuit, MMIC. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Signalerzeugungsschaltkreis 108 auch ein System-on-a-Chip-Schaltkreis sein. Der Signalerzeugungsschaltkreis 108 ist dazu ausgebildet, ein Radarsignal (HF-Signal) zu generieren und zu empfangen.
Die Wellenleiterantenneneinrichtung 102 ist auf der Leiterplatte angeordnet und umgibt die Wellenleiterkoppeleinrichtung und den darin integrierten Signalerzeugungsschaltkreis 108. Dabei ist zwischen der Wellenleiterantenneneinrichtung 102 und der Wellenleiterkoppeleinrichtung ein Luftspalt 110 ausgebildet. Dieser erstreckt sich zwischen der Wellenleiterantenneneinrichtung 102 und der Moldmasse 103 bzw. dem Interposer 104 mit der Metallisierungsschicht 105. Der Luftspalt 110 kann verkleinert werden, um einen physischen Kontakt zwischen der Wellenleiterantenneneinrichtung 102 und der Wellenleiterkoppeleinrichtung zu ermöglichen. Die Wellenleiterantenneneinrichtung 102 kann ein metallisiertes Spritzgussteil sein oder aufweisen.
Die Wellenleiterkoppeleinrichtung ist dazu ausgebildet ist, das von dem Signalerzeugungsschaltkreis 108 generierte Radarsignal in die Wellenleiterantenneneinrichtung 102 einzukoppeln. Der Übergang zur Wellenleiterantenneneinrichtung 102 wird vorteilhafterweise auf einem nicht von Moldmasse 103 umgebenen Teil des Interposers 104 realisiert, was die HF-Verluste reduziert und eine hohe Bandbreite sicherstellt.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 200. Der Signalerzeugungsschaltkreis 108 wird hierbei mittels Flip-Chip-Technik auf den Interposer 104 aufgebracht und ist mittels Kontaktierungen 213 mit dem Interposer 104 verbunden. Der Signalerzeugungsschaltkreis 108 wird nicht von einer Moldmasse umgeben. Es handelt sich somit um einen Bare-Die-Aufbau. In den seitlichen Bereichen der Leiterplatte sind Hochfrequenz (HF)-Strukturen 211 in den leitenden Schichten realisiert. Diese sind dazu ausgebildet, das von dem Signalerzeugungsschaltkreis 108 generierte Radarsignal in eine anschließende (nicht gezeigter) Wellenleiterantenneneinrichtung einzukoppeln. Zwischen dem Signalerzeugungsschaltkreis 108 und dem Interposer 104 ist ein kapillarer Underfill (CUF) oder Mold-Underfill (MUF) 212 ausgebildet. Bei der Radarvorrichtung 200 wird die Wellenleiterkoppeleinrichtung durch den Interposer 104 mit CUF bzw. MUF 212, Kontaktierungen 213 und HF-Strukturen 211 gebildet. Die Leiterplatte 109 ist nicht gezeigt.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 300. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in 2 illustrierten Aufbau. Zusätzlich wird der Signalerzeugungsschaltkreis 108 teilweise mit einer Moldmasse 303 umgeben. Die seitlichen Bereiche des Interposers 104 werden dabei jedoch nicht mit Moldmasse 303 umgehen.
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 400. Dabei ist der Signalerzeugungsschaltkreis 408 auf einer Unterseite des Interposers 104 angeordnet und mit Moldmasse 403 umgeben. Die relevanten HF-Strukturen 211 sind auf der Oberseite des Interposers 104 angeordnet und die HF-Wellensignale werden nach oben abgestrahlt und in die Wellenleiterantenneneinrichtung (nicht gezeigt) eingekoppelt.
5 zeigt eine schematische Draufsicht (oben) und Querschnittsansicht (unten) einer Radarvorrichtung 500. Dabei ist die Moldmasse 503 auch in den äußeren Bereichen auf dem Interposer 104 ausgebildet, wobei die HF-Signale mittels Durchkontaktierungen (Vias) 514, 515 in die (nicht gezeigte) Wellenleiterantenneneinrichtung eingekoppelt werden. Die Durchkontaktierungen 514, 515 verlaufen durch die Moldmasse 503 und werden mittels Through-Mold-Via-Technologie hergestellt.
6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 600. Dabei wird eine von einer Moldmasse 603 umgebene Wellenleiterkoppeleinrichtung bereitgestellt, wobei die HF-Strukturen 211 freiliegen oder zumindest teilweise von einer dünnen Moldmassenschicht bedeckt sind und die ausgesendeten HF-Signale durch eine Wellenleiterstruktur 616 innerhalb der Moldmasse 603 geführt werden, wobei die Wellenleiterstruktur 616 vorzugsweise zur Außenseite hin metallisiert ist.
7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 600a. Diese unterscheidet sich von der in 6 gezeigten Radarvorrichtung 600 dadurch, dass die HF-Strukturen 211 in der Moldmasse 603a nicht freiliegen. Oberhalb der HF-Strukturen 211 sind Strahlformungselemente 611 ausgebildet.
8 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 700. Im Folgenden werden lediglich die Ergänzungen und Änderungen im Vergleich zur in 1 gezeigten Radarvorrichtung 100 erläutert. So sind in 8 die durch den Interposer 104 verlaufenden Kontaktierungen 718 (etwa Kupfersäulen) zwischen dem Signalerzeugungsschaltkreis 108 und den Solder-Bällen 107 illustriert. Weiter ist illustriert, dass ein Bereich 719 der auf dem Interposer 104 ausgebildeten Metallisierungsschicht 105 freigelegt ist, um die über den Interposer 104 übertragenen HF-Signale, welche der Signalerzeugungsschaltkreis 108 generiert hat, in Wellenleiterkanäle 720 der Wellenleiterantenneneinrichtung 702 einzukoppeln. Die Wellenleiterantenneneinrichtung 702 weist dabei eine Metallisierungsschicht 716 auf.
Weiter sind luftgefüllte Hohlräume 717 in den seitlichen Bereichen neben den Wellenleiterkanälen 720 ausgebildet. Für HF-Signale, welche durch den Luftspalt 110 übertragen werden, dienen die Hohlräume als λ/4-Falle, sodass es zu einer Reduktion von HF-Leckagen und Quereinkopplungen kommt. Es sind drei luftgefüllte Hohlräume 717 illustriert, einer in der Nähe des Signalerzeugungsschaltkreises 108 am Rand des Interposers 104, einer auf der Seite des Interposers 104 und einer auf der Seite der Leiterplatte 109. Es können jedoch gemäß weiteren Ausführungsformen auch mehr oder weniger Hohlräume 717 vorhanden sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Hohlräume 717 den Bereich 719 ganz oder teilweise umgeben.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Hohlräume 717 durch Kompensationsstrukturen im Interposer 104 bis zur oder in die Leiterplatte 109 ersetzt werden.
Die korrekte Positionierung der Wellenleiterantenneneinrichtung 702 relativ zur Leiterplatte 109 und zur Wellenleiterkoppeleinrichtung wird mit Hilfe einer Zentrierung 721 durch Pins verbessert. In weiteren Ausführungsformen können selbstzentrierende Strukturen vorgesehen sein. Hierzu kann etwa die Unterseite der Wellenleiterantenneneinrichtung 702 mit einer Lötinsel strukturiert sein, deren Gesamtgrundfläche an die Leiterplattenoberseite angepasst ist, wobei ein Reflow-Lötprozess der Zentrierung der Wellenleiterantenneneinrichtung 702 dient. Zur Stressreduzierung können die Zentrierkomponenten, wie Pins o.ä., in der Nähe der Wellenleiterkoppeleinrichtung angeordnet werden.
9 zeigt eine schematische Draufsicht auf die in 8 gezeigte Radarvorrichtung 700.
10 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Radarvorrichtung 800, wobei nur die Kopplung der Radarsignale mittels der Wellenleiterkoppeleinrichtung genauer illustriert sind. Die verbleibenden Komponenten der Radarvorrichtung 800 können einer der oben beschriebenen Ausführungsformen entsprechen. Der Interposer weist hier einen mit dem Signalerzeugungsschaltkreis 108 gekoppelten geerdeten koplanaren Abschnitt 805a , einen anschließenden Übergangsbereich 805b, einen integrierten-Wellenleiter-Abschnitt 805c sowie einen nicht mit Moldmasse umgebenen Abschnitt 805d auf, um das von dem Signalerzeugungsschaltkreis 108 generierte Radarsignal zu der Wellenleiterantenneneinrichtung (nicht gezeigt) zu leiten.
11 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Radarvorrichtung 900. Der Aufbau ähnelt dem Aufbau der in 10 illustrierten Radarvorrichtung 800. Der Interposer weist hier einen mit dem Signalerzeugungsschaltkreis 108 gekoppelten geerdeten koplanaren Abschnitt 905a , einen anschließenden Impedanz-Anpassungs-Abschnitt 905b, einen Übergangsbereich 905c sowie einen nicht mit Moldmasse umgebenen Abschnitt 905d auf, um das von dem Signalerzeugungsschaltkreis 108 generierte Radarsignal zu der Wellenleiterantenneneinrichtung (nicht gezeigt) zu leiten.
Die in den 10 und 11 illustrierten Einkoppelmechanismen können auch in den anderen in den Figuren illustrierten Radarvorrichtungen verwendet werden.
12 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 1000. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der in 8 gezeigten Radarvorrichtung 700. Die Wellenleiterantenneneinrichtung 1002 wird aus Blöcken gefertigt, die zusammengesetzt eine dreidimensionale Struktur bilden. Die Wellenleiterantenneneinrichtung 1002 wird hierbei mit nur einem Block und einer planaren Abdeckung 1018 realisiert. Die Blöcke können aus geformtem Metall, Blechen oder geformten Verbundwerkstoffen, z. B. leitfähigen Kunststoffen oder Verbundwerkstoffen, oder Kunststoffen, die in einem Post-Molded-Verfahren metallisiert werden, hergestellt werden.
13 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 1100. Der Aufbau der Radarvorrichtung 1100 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der in 12 gezeigten Radarvorrichtung 1000. Zusätzlich ist ein thermischer Kühlkörper 1122 auf der Rückseite der Leiterplatte 109 angeordnet.
14 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 1200, welche im Wesentlichen der in 8 gezeigten Radarvorrichtung 700 entspricht. Im Unterschied zur in 8 gezeigten Radarvorrichtung 700 wird die Verbindung zwischen Wellenleiterkoppeleinrichtung, Wellenleiterantenneneinrichtung 102 und Leiterplatte 109 so realisiert, dass die Wellenleiterantenneneinrichtung 102 sowohl an der Wellenleiterkoppeleinrichtung als auch an der Leiterplatte 109 fest angebracht ist. Die feste Verbindung 1223 zwischen der Wellenleiterantenneneinrichtung 102 und der Wellenleiterkoppeleinrichtung wird mit einem leitenden und/oder nichtleitenden Kleber oder Band oder einem Lot realisiert. Aufgrund der durchgehenden Verbindung die Hohlräume 717 verzichtet werden.
15 zeigt eine schematische Draufsicht auf die in 14 gezeigte Radarvorrichtung 1200.
16 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 1300, welche im Wesentlichen der in 12 gezeigten Radarvorrichtung 1000 entspricht. Im Unterschied zur in 12 gezeigten Radarvorrichtung 1000 wird die Verbindung zwischen Wellenleiterkoppeleinrichtung, Wellenleiterantenneneinrichtung 1302 und Leiterplatte 109 so realisiert, dass die Wellenleiterantenneneinrichtung 1302 sowohl an der Wellenleiterkoppeleinrichtung als auch an der Leiterplatte 109 fest angebracht ist.
17 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 1400, welche im Wesentlichen der in 8 gezeigten Radarvorrichtung 1100 entspricht. Im Unterschied zur in 8 gezeigten Radarvorrichtung 1100 wird die Verbindung zwischen Wellenleiterkoppeleinrichtung, Wellenleiterantenneneinrichtung 1402 und Leiterplatte 109 so realisiert, dass die Wellenleiterantenneneinrichtung 1402 sowohl an der Wellenleiterkoppeleinrichtung als auch an der Leiterplatte 109 fest angebracht ist. Ein weiterer Unterschied ist der auf einer Oberseite der Wellenleiterkoppeleinrichtung ausgebildete zusätzliche Kühlkörper 1422. Zusätzlich oder alternativ kann ein Kühlkörper auf der Unterseite der Leiterplatte 109 ausgebildet sein.
Die thermische Kühlung der Radarvorrichtung 1400 kann durch die Verwendung eines wärmeleitenden Klebstoffs oder Lots weiter verbessert werden, indem ein effizienter Kühlpfad von dem Signalerzeugungsschaltkreis 108 zur Leiterplatte 109 entlang der Moldmasse 103, des Interposers 104 und der Metallisierungsschicht 106 geschaffen wird. Gleichzeitig wirkt die Wellenleiterantenneneinrichtung 1402 selbst als Kühlelement.
18 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 1500, welche im Wesentlichen der in 14 gezeigten Radarvorrichtung 1200 entspricht. Im Unterschied zur in 14 gezeigten Radarvorrichtung 1200 erstreckt sich die Verbindung 1523 lediglich zwischen Wellenleiterkoppeleinrichtung und Wellenleiterantenneneinrichtung 1402. Dadurch wird eine effiziente Übertragung des HF-Signals von der Wellenleiterkoppeleinrichtung zur Wellenleiterantenneneinrichtung 102 mit geringen Verlusten ermöglicht. Es besteht jedoch keine feste Verbindungsschicht zwischen der Wellenleiterantenneneinrichtung 1402 und der Leiterplatte 109. Die Wellenleiterantenneneinrichtung 102 kann mit oder ohne Pins auf der Leiterplatte angeordnet sein, sodass kleine Bewegungen möglich sind. Dies ist ein Vorteil für die mechanische Stabilität der Baugruppe über die Zeit und unter Belastung, auch wenn die mechanischen Eigenschaften der verschiedenen Teile nicht perfekt aufeinander abgestimmt sind. Die Befestigung der Leiterplatte am Wellenleiter ist so ausgelegt, dass kleine Bewegungen und ein entsprechender Spannungsausgleich möglich sind.
19 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 1600. Der Einkoppelabschnitt der Wellenleiterantenneneinrichtung 1602 ist hierzu einstückig aus einem monolithischen Block ausgebildet, was einen Kostenvorteil darstellt. Dadurch wird ein Wellenleiterkanal 1620 mit einem Impedanzanpassungsabschnitt 1602a gebildet. Der monolithische Wellenleiterantennenblock bildet die drei von vier Seiten des eingebetteten Wellenleiterkanals 1620. Die Metallisierungsschicht 106 der Leiterplatte 109 dient als vierte Wand des Wellenleiterkanals 1620. Die Leiterplatte 109 und die Wellenleiterantenneneinrichtung 1602 sind durch einen leitfähigen Kleber oder Lot 1624 verbunden, welcher vollflächig oder partielle ausgebildet ist.
Durch den gezeigten Aufbau der Radarvorrichtung 1600 kann die Radarvorrichtung 1600 kostengünstig hergestellt werden, da die Wellenleiterantenneneinrichtung 1602 mit nur einem externen Block realisiert wird. Um einen verlustarmen Übergang zwischen der Wellenleiterkoppeleinrichtung und der Wellenleiterantenneneinrichtung 1602 zu erreichen, werden der Wellenleiterantenneneinrichtung 1602 und der Übergangsbereich der Wellenleiterkoppeleinrichtung mit einem hochleitfähigen Kleber oder Lot 1523 und mit einem Impedanzanpassungsabschnitt 1602a im Launcher-Bereich zusammengefügt.
20 zeigt eine schematische Draufsicht auf die in 19 gezeigte Radarvorrichtung 1600. Im Bereich 1625 ist die Wellenleiterantenneneinrichtung 102 mit der Metallisierungsschicht 106 der Leiterplatte 109 verbunden.
21 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 1700. Dabei ist die Wellenleiterantenneneinrichtung 702 über eine Verbindungsschicht 1701 mit der Leiterplatte 109 verklebt oder verlötet. Es besteht aber keine feste oder vollständige Verbindungsschicht zwischen der Wellenleiterantenneneinrichtung 702 und der Wellenleiterkoppeleinrichtung. Stifte, leitfähige Pasten, Klebstoffe oder Stege 1702 werden in der Wellenleiterantenneneinrichtung 702 geformt oder angebracht, welche metallisiert oder aus Metall sein können und direkt in Kontakt mit der Wellenleiterkoppeleinrichtung sind. Die Stifte, Pasten, Klebstoffe oder Stege 1702 können auf die Wellenleiterkoppeleinrichtung aufgebracht werden und sind direkt im Kontakt mit der Wellenleiterantenneneinrichtung 702.lm Bereich 719 vom Signalübergang zwischen Interposer 104 und Wellenleiterantenneneinrichtung 702 sind die Stifte bzw. Stege so platziert und geformt, dass sie einen Kanal für das HF-Signal bilden und ermöglichen somit einen guten Übergang des Signals vom Interposer 104 in die Wellenleiterantenneneinrichtung 702. Die Radarvorrichtung 1700 erlaubt zudem kleine Bewegungen von der Wellenleiterantenneneinrichtung 702 relativ zur Wellenleiterkoppeleinrichtung, was einen mechanischen Vorteil darstellt.
22 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 1800. Diese unterscheidet sich von der in 21 gezeigten Radarvorrichtung 1700 dadurch, dass keine Verbindungschicht zwischen der Wellenleiterantenneneinrichtung 702 und der Leiterplatte 109 ausgebildet ist. Vielmehr sind auch in diesem Bereich Stifte oder Stege 1801 ausgebildet. Weiter ist eine Zentrierung 721 vorgesehen.
23 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 1900, welche sich von der in 22 gezeigten Radarvorrichtung 1800 dadurch unterscheidet, dass die Einkopplung des HF-Signals in die Wellenleiterkanäle 720 mittels Durchkontaktierungen 1902 durch die Moldmasse 1903 erfolgt.
24 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 2000, welche sich von der in 23 gezeigten Radarvorrichtung 1900 dadurch unterscheidet, dass eine Verbindungsschicht 1701 wie in 21 vorgesehen ist.
25 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 2100, welche sich von der in 23 gezeigten Radarvorrichtung 1900 dadurch unterscheidet, dass luftgefüllte Hohlräume 2117 vorgesehen sind.
26 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Radarvorrichtung 2200 welche sich von der in 24 gezeigten Radarvorrichtung 2000 dadurch unterscheidet, dass zwischen Moldmasse 1903 und Wellenleiterantenneneinrichtung 702 eine weitere Verbindungschicht 2201 ausgebildet ist.
In weiteren Ausführungsformen können alle oben gezeigten Radarvorrichtungen eine planare Abdeckung (wie in 12) und/oder mindestens einen Kühlkörper (wie in 17) aufweisen.
27 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Radarvorrichtung, insbesondere einer der oben beschriebenen Radarvorrichtungen.
In einem ersten Schritt S1 wird eine Leiterplatte bereitgestellt.
In einem zweiten Schritt S2 wird ein Signalerzeugungsschaltkreis zumindest mittelbar auf der Leiterplatte angeordnet, wobei der Signalerzeugungsschaltkreis mit der Leiterplatte elektrisch gekoppelt wird und dazu ausgebildet ist, ein Radarsignal zu generieren.
In einem dritten Schritt S3 wird eine Wellenleiterkoppeleinrichtung ausgebildet, wobei der Signalerzeugungsschaltkreis auf oder in der Wellenleiterkoppeleinrichtung angeordnet wird.
In einem vierten Schritt S4 wird eine Wellenleiterantenneneinrichtung zumindest mittelbar auf der Leiterplatte angeordnet.
Die Wellenleiterkoppeleinrichtung wird dazu ausgebildet, das von dem Signalerzeugungsschaltkreis generierte Radarsignal in die Wellenleiterantenneneinrichtung einzukoppeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2020/0365971 A1 [0006]

Claims

Radarvorrichtung (100-2200), mit: einer Leiterplatte (109); einem Signalerzeugungsschaltkreis (108; 408), welcher zumindest mittelbar auf der Leiterplatte (109) angeordnet ist, mit der Leiterplatte (109) elektrisch gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, ein Radarsignal zu generieren; einer Wellenleiterantenneneinrichtung (102; 702; 1002; 1402; 1602), welche zumindest mittelbar auf der Leiterplatte (109) angeordnet ist; und einer Wellenleiterkoppeleinrichtung (103-105, 107; 211-213; 303; 403; 503, 514, 515; 603, 616; 805; 905), wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (108; 408) auf oder in der Wellenleiterkoppeleinrichtung (103-105, 107; 211-213; 303; 403; 503, 514, 515; 603, 616; 805; 905) angeordnet ist, und wobei die Wellenleiterkoppeleinrichtung (103-105, 107; 211-213; 303; 403; 503, 514, 515; 603, 616; 805; 905) dazu ausgebildet ist, das von dem Signalerzeugungsschaltkreis (108; 408) generierte Radarsignal in die Wellenleiterantenneneinrichtung (102; 702; 1002; 1402; 1602) einzukoppeln.
Radarvorrichtung (100; 300-2200) nach Anspruch 1, wobei die Wellenleiterkoppeleinrichtung (103-105, 107; 211-213; 303; 403; 503, 514, 515; 603, 616; 805; 905) eine Moldmasse (103; 303; 303a 403; 503; 603; 1903) aufweist, welche den Signalerzeugungsschaltkreis (108; 408) zumindest teilweise umgibt.
Radarvorrichtung (100-2200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wellenleiterkoppeleinrichtung (103-105, 107; 211-213; 303; 403; 503, 514, 515; 603, 616; 805; 905) einen Interposer (104, 105; 211; 805; 905) aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, das von dem Signalerzeugungsschaltkreis (108; 408) generierte Radarsignal zu der Wellenleiterantenneneinrichtung (102; 702; 1002; 1402; 1602) zu leiten.
Radarvorrichtung (800; 900) nach Anspruch 3, wobei der Interposer (104, 105; 211; 805; 905) einen integrierten-Wellenleiter-Abschnitt (805c) oder einen Impedanz-Anpassungs-Abschnitt (905b) aufweist, um das von dem Signalerzeugungsschaltkreis (108; 408) generierte Radarsignal zu der Wellenleiterantenneneinrichtung (102; 702; 1002; 1402; 1602) zu leiten.
Radarvorrichtung (100-1100; 2100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen der Wellenleiterkoppeleinrichtung (103-105, 107; 211-213; 303; 403; 503, 514, 515; 603, 616; 805; 905) und der Wellenleiterantenneneinrichtung (102; 702; 1002; 1402; 1602) zumindest abschnittsweise ein Luftspalt (110) ausgebildet ist.
Radarvorrichtung (100-2200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Verbindungsschicht (1223; 1523; 1623), welche die Wellenleiterkoppeleinrichtung (103-105, 107; 211-213; 303; 403; 503, 514, 515; 603, 616; 805; 905) zumindest abschnittsweise mit der Wellenleiterantenneneinrichtung (102; 702; 1002; 1402; 1602) verbindet.
Radarvorrichtung (1000; 1100; 1300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wellenleiterantenneneinrichtung (102; 702; 1002; 1402; 1602) ein Substrat (1002; 1302) und eine auf dem Substrat (1002; 1302) angeordnete Abdeckung (1018) aufweist, wobei mindestens ein Wellenleiter (720) zumindest abschnittsweise zwischen dem Substrat (1002; 1302) und der Abdeckung (1018) ausgebildet ist.
Radarvorrichtung (1100; 1400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit mindestens einen Kühlkörper (1122; 1422), welches mit dem Signalerzeugungsschaltkreis (108; 408) und/oder der Leiterplatte (109) zumindest indirekt verbunden ist, um Wärme abzuleiten.
Radarvorrichtung (100-2200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (108; 408) ein System-on-a-Chip-Schaltkreis oder ein Monolithic-Microwave-Integrated-Circuit, MMIC, ist.
Verfahren zum Herstellen einer Radarvorrichtung (100-2200), mit den Schritten: Bereitstellen (S1) einer Leiterplatte (109); Anordnen (S2) eines Signalerzeugungsschaltkreises (108; 408) zumindest mittelbar auf der Leiterplatte (109), wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (108; 408) mit der Leiterplatte (109) elektrisch gekoppelt wird und dazu ausgebildet ist, ein Radarsignal zu generieren; Ausbilden (S3) einer Wellenleiterkoppeleinrichtung (103-105, 107; 211-213; 303; 403; 503, 514, 515; 603, 616; 805; 905) zumindest mittelbar auf der Leiterplatte, wobei der Signalerzeugungsschaltkreis (108; 408) auf oder in der Wellenleiterkoppeleinrichtung (103-105, 107; 211-213; 303; 403; 503, 514, 515; 603, 616; 805; 905) angeordnet wird; und Anordnen (S4) einer Wellenleiterantenneneinrichtung (102; 702; 1002; 1402; 1602) zumindest mittelbar auf der Leiterplatte (109); wobei die Wellenleiterkoppeleinrichtung (103-105, 107; 211-213; 303; 403; 503, 514, 515; 603, 616; 805; 905) dazu ausgebildet wird, das von dem Signalerzeugungsschaltkreis (108; 408) generierte Radarsignal in die Wellenleiterantenneneinrichtung (102; 702; 1002; 1402; 1602) einzukoppeln.