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Die vorliegende Erfindung betrifft ein TO-Gehäuse für
Hochfrequenzanwendungen. TO-Gehäuse steht für Transistor Outline-Gehäuse.
Diese Gehäuse werden für elektronische Bauelemente wie beispielsweise
Transistoren, aber vor allem auch für optoelektronische Bauelemente
verwendet. In zunehmenden Maße trifft dies zu für den Bereich der
Netzwerktechnik im Computerbereich. Es weist ein Stanzteil als Sockel auf,
welcher die elektronischen Bauelemente trägt, das mittels einer tassenförmigen
Abdeckung verschlossen ist. Elektrische Anschlußleiter sind durch
Durchgangsbohrungen in dem Stanzteil geführt und im Durchführungsbereich
durch das Stanzteil durch Einglasungen hermetisch vom Stanzteil getrennt und
darin arretiert.
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Das Design dieser Gehäuse datiert aus den fünfziger Jahren. Der Grund dafür,
weswegen diese Gehäuse bei der heutigen Hochtechnologie immer noch
Einsatz findet, ist darin zu sehen, daß sie zum einen sehr verläßlich sind, vor
allem aber auch sehr bekannt sind und die betreffenden Industriebereiche
entsprechend mit den notwendigen Werkzeugen ausgestattet sind.
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Dies trifft auch zu bei den heute zum Einsatz kommenden Übertragungsraten
von 1,25 oder 2,5 Gbit/s.
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Gegenwärtig ist ein technologischer Quantensprung zu bemerken, insbesondere
im Bereich der schon erwähnten Netzwerktechnik. Hier sind Taktraten von
10 Gbit/s üblich. An den sogenannten Switches im Netzwerk findet stets eine
Umwandlung der elektrischen Signale in optische Signale und umgekehrt in
Wandlern, sogenannten Transceivern, statt. In diesem Zusammenhang wird
auch von einer Vernetzung durch optische Verbindungen gesprochen.
Insbesondere in dieser Technologie kommen die TO-Gehäuse zur Anwendung.
Aufgrund der schon genannten Zuverlässigkeit und Bekanntheit der 10-
Gehäuse besteht ein breites Interesse daran, die TO-Gehäuse auch weiterhin zu
verwenden, insbesondere bei den hohen zur Anwendung kommenden
Taktraten.
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Dieses Interesse spiegelt sich schon darin wider, daß in der Industrie heute bei
Taktraten von 2,5 Gbit/s TO-Gehäuse zur Anwendung kommen, obwohl diese
bauartbedingt hohe Signalverluste mit sich bringen, die bis zu 50%
(~3 db) liegen.
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Das zugrunde liegende Problem bei noch höheren Taktraten besteht darin, daß
die Frequenzen so hoch sind, daß die Gesetze der klassischen Elektrotechnik
keine Anwendung mehr finden, sondern vielmehr Hochfrequenztechnologie
gefordert ist, so daß man im theoretischen Bereich sich im Übergang von der
Korpuskulartheorie hin zur Wellentheorie bewegt. Eine weitverbreitete
Faustformel besagt, daß die Wellentheorie dann anzuwenden ist, wenn die
Pfadlänge des Wellenleiters größer als 1/10 der Wellenlänge λ der Frequenz
ist.
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Gemäß der Idealvorstellung der klassischen Nachrichtentechnik hat ein
Digitalsignal die Form eines Rechteckzuges. Man rechnet etwa mit der
10-fachen Bandbreite, damit die Grundfrequenz des Signals überhaupt als
Rechteck darstellbar ist. Bei einer Grundfrequenz von 1 GHz eines
Rechtecksignales ist daher von einer Mindestbandbreite von etwa 10 GHz
auszugehen, d. h. daß die 10-fachen Harmonischen ebenfalls mit übertragen
werden müssen. Diese Gesetze gelten im vorliegenden Anwendungsfalle nicht
Wahrscheinlichkeit aus, daß ein Signalwechsel stattgefunden hat. Hierzu wird
ein sogenanntes Augendiagramm erzeugt, in welchem die noch übertragenen
Wellenzüge eingetragen werden. Bei einer Häufung in einem "Auge" geht man
nun davon aus, daß ein Signalwechsel stattgefunden hat.
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Diese Unschärfe dieser Aussage bedeutet jedoch die Reduzierung einer
Bandbreite, so daß man bei einem Signal mit einer Taktfrequenz von
2,5 Gbit/s davon ausgeht, daß ungefähr 2,5 GHz Bandbreite vorhanden sein
muß. In der Nachrichtentechnik müßten theoretisch eine Mindestbandbreite von
25 GHz bereitgestellt werden.
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In Anwendung der oben erwähnten λ/10-Regel ergibt sich nun folgendes: Bei
einer Taktfrequenz von 10 Gbit/s ergibt sich eine Wellenlänge des Signals von
ca. 1,5 cm im Medium. Das Medium bei einem TO-Gehäuse ist das Medium
das Einschmelzglas der Einglasungen. Ein Zehntel dieser Wellenlänge ergibt
eine Glasstrecke von ca. 1,5 mm, was durchaus der tatsächlichen Dicke im
Bereich des Einschmelzglases im TO-Gehäuse entspricht. Daher ist in diesem
Anwendungsfall nicht die Korpuskeltheorie, sondern die Wellentheorie
anzuwenden.
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Ein wichtiger Parameter in der Wellentheorie ist die Impedanz. Deren
Grunddefinition lautet: Z = elektrische Feldstärke/magnetische Feldstärke.
Wie in der Optik ist in der Wellentheorie davon auszugehen, daß jeder
Impedanzwechsel aufgrund einer Reflexion mit einem Signalverlust verbunden
ist. Hier läßt sich durchaus eine Parallele ziehen zum Übertritt von Licht von
einem optischen Medium in ein anderes optischen Medium.
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Grundsätzlich spielen hierbei die gegebenen Geometrien eine entscheidende
Rolle. Die Fachwelt ist bestrebt, bei Übergängen von einem Medium in ein
anderes Medium die Impedanz nach der oben wiedergegebenen Grunddefinition
möglichst gleich zu halten. In der Praxis spricht man in den meisten Fällen
von 50 Ohm Abschlüssen.
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Aus impedanztechnischen Betrachtungen lassen sich dann theoretische
Geometrien angeben, welche bei Leitern, wie sie beim TO-Gehäuse Einsatz
finden, einzuhalten wären, um eben einen optimalen Abschluß zu garantieren.
Diese Geometrien lassen sich jedoch praktisch nicht in die Realität zu einem
vertretbaren Aufwand umsetzen. So sind die Pins eines idealen TO-Gehäuses
kaum fertigungstechnisch herstellbar, da diese Pins nämlich gestufte Pins sein
müßten, welche zwischen sich einen konstanten Abstand von etwa 0,1 mm - in
Luft - aufweisen müßten. Darüber hinaus ist diese Geometrie im Anschluß
problematisch wegen der Geometriewechsel, die zu Fehlanpassungen führen.
Darüber hinaus aber wirken die Pins wie kleine Antennen, und zwar aufgrund
des Feldlinienverlaufs. Die Feldlinien bei sogenannten PIN-PIN Geometrien
verlaufen nämlich nicht nur direkt zwischen den Signalleitern und dem
masseführenden Leiter, sondern auch auf gekrümmtem Verlauf außerhalb
hiervon. Dies führt zu einem Übersprechen der Signale, welches bei der schon
oben erwähnten Taktrate von 2,5 Gbit/s gerade noch tolerable erscheint. Bei
höheren Frequenzen sind die Verluste zu hoch.
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Vor diesem Hintergrund ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein impedanzangepaßtes TO-Gehäuse zu schaffen, welches für wesentlich
höhere Frequenzen oder Taktraten geeignet ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein TO-Gehäuse des Anspruchs 1. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Dementsprechend ist bei einem TO-Gehäuse der eingangs genannten Art
vorgesehen, daß die Anschlußleiter einen im wesentlichen rechteckigen
Querschnitt aufweisen und daß sie räumlich nebeneinander so angeordnet sind,
daß ein signalführender Anschlußleiter zwischen zwei Anschlußleitern mit
Massepotential liegt. Durch die angegebenen Geometrien und Anordnungen ist
sichergestellt, daß die Feldlinien vorrangig in dem Zwischenbereich zwischen
einem signalführenden Leiter und wenigstens zwei Masseleitern verlaufen.
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Gekrümmte Feldlinien im Raum außerhalb des erwähnten Zwischenraumes
werden somit weitgehend unterbunden und hierdurch die Verluste erheblich
reduziert, so daß auch Taktraten von 10 Gbit/s und höher kein Problem
darstellen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Anschlußleiter
Teile eines sogenannten Lead-Frames. Lead-Frames sind Fächer aus einer
Vielzahl von Leitern mit rechtwinkligem Querschnitt, der in der Regel
lithographisch aus Metallfolien hergestellt wird. Hochfrequenztechnisch
gesehen stellt ein Lead-Frame einen sogenannten Coplanar Waveguide (CPW)
dar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des TO-Gehäuses wird
die Anpassung noch weiter dadurch verbessert, daß eine Seite der
Anschlußleiter mit einer Deckschicht mit einer die Dielektrizitätkonstanten im
Bereich von 2 bis 4 bedeckt sind. Durch das einseitige Aufbringen eines
Dielektrikums wird die Dielektrizitätszahl des Gesamtsystems verändert. Durch
die effektive Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten des Gesamtsystems führt
schließlich zur Absenkung der Impedanz des Gesamtsystems. Ziel ist es dabei,
wie weiter oben schon ausgeführt, die Impedanz des Gesamtsystems auf ca. 50 Ohm
einzustellen. Ohne die zusätzliche Erhöhung der Elektrizitätskonstanten
des Gesamtsystems wären Impedanzen von 60 bis 65 Ohm realisierbar. Im
Vergleich hierzu trägt die Impedanz bisheriger Anordnungen ca. 250 Ohm.
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Besonders bevorzugt kann die Deckschicht als Folie ausgebildet sein, die
sowohl die eine Seite der Anschlußleiter als auch die Zwischenräume zwischen
benachbarten Anschlußleitern überspannt.
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Alternativ hierzu kann die Deckschicht in einem Spritzgießverfahren
aufgetragen sein.
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Einige Anschlußleiter enden meist am Stanzteil, d. h. sie werden nicht durch
dieses durch eine Durchgangsbohrung hindurch geführt. Meist werden es die
Masseleiter sein, die am Stanzteil enden. Besonders bevorzugt wird dann
vorgesehen, daß diese Anschlußleiter mit der Außenseite des Stanzteils
hartverlötet sind.
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Es kann auch vorgesehen sein, zumindest einen masseführenden Anschlußleiter
in das Innere des Gehäuses zu führen, und zwar ebenfalls durch eine
Durchbrechung im Stanzteil, wobei dann der Anschlußleiter ebenfalls durch
eine Einglasung arretiert wird.
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Vorzugsweise sind die Anschlußleiter als sogenannte coplanar Waveguide
angeordnet, wodurch noch die Anpassung weiter verbessert wird.
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Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele gemäß der
Zeichnungsfiguren näher erläutert. Hierbei zeigt:
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Fig. 1 die Ansicht eines Lead-Frames in Relation zu
dem Stanzteil des TO-Gehäuses, gemäß seiner
ersten Ausführungsform,
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Fig. 2 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1 einer anderen
Ausführungsform,
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Fig. 3 eine noch weitere Ausführungsform in ähnlicher
Ansicht wie in den Fig. 1 und 2,
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Fig. 4 die Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 3,
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Fig. 5 die Seitenansicht der Anordnung aus Fig. 3,
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Fig. 6 eine noch weitere Ausführungsform in ähnlicher Ansicht
wie in Fig. 3,
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Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 6 und
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Fig. 8 eine Seitenansicht der Anordnung gemäß Fig. 6.
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Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.
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Einen ersten Überblick verschafft Fig. 1. Darin deutlich erkennbar ist ein
Lead-Frame 6 mit Anschlußleitern 3 mit rechteckigem Querschnitt. Von dem
TO-Gehäuse ist vorliegend lediglich das Stanzteil 2 als Sockel dargestellt, da
die insofern relevanten Anordnungen von Anschlußleitern 3 im Verhältnis zum
Stanzteil 2 von Interesse sind. Im Stanzteil 2 sind vorliegend zwei
Durchgangsbohrungen 4 vorgesehen. Zwei Anschlußleiter 3 sind im
vorliegenden Fall durch die beiden Durchgangsbohrungen 4 im Stanzteil 2
geführt. Einglasungen S halten die Anschlußleiter 3 hermetisch vom Stanzteil 2
getrennt und arretieren sie dort gleichzeitig. Genau dies ist der kritische
Bereich bei der Impedanzanpassung, nämlich der Durchgangsbereich der
Anschlußleiter 3 durch die Einglasungen 5.
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Die Anschlußleiter 3 sind nun räumlich nebeneinander so angeordnet, daß ein
Anschlußleiter, der ein Signal führt, zwischen zwei Anschlußleitern 3 auf
Massepotential liegt. Im vorliegenden Fall wären die beiden Anschlußleiter 3,
welche durch die Durchgangsbohrungen 4 im Stanzteil 2 geführt sind, die
signalführenden Leiter. Der mittig gelegene Anschlußleiter 3 sowie die beiden
rechts und links außen liegenden Anschlußleiter 3 würden Massepotential
führen. Dadurch wird sichergestellt, daß Feldlinien weitgehend zwischen dem
masseführenden und dem signalführendem Anschlußleiter 3 lediglich in dem
rechteckig dazwischen befindlichen Zwischenraum verlaufen und ansonsten
praktisch keinerlei Verluste auftreten.
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Die Verwendung eines Lead-Frames 6 für diese Anordnung ist ideal, da die
Abstände zwischen den Anschlußleitern 3 vorgegeben und konstant sind und
dadurch die Handhabung während der Montage der Anordnung erheblich
vereinfacht wird im Vergleich zu der Anordnung von Einzelteilen. Vorliegend
enden die masseführenden Leiter an der Unterseite des Stanzteils 2, wo an den
Stellen H die Anschlußleiter 3 mit dem Stanzteil 2 hartverlötet sind.
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Im weiteren Herstellungsschritt, der aber vorliegend nicht weiter beschrieben
wird, wird die Basisplatte des Lead-Frames 6 entfernt, so daß tatsächlich
Einzelleiter mit dem Stanzteil 2 die funktionelle Einheit bilden.
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In Fig. 2 ist eine Abwandlung des TO-Gehäuses gemäß Fig. 1 dargestellt.
Auch hier wiederum sind lediglich die wesentlichen Bauteile Stanzteil 2 und
Lead-Frame 6 dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1
ist vorliegend der mittlere Teil 3 des Lead-Frames vollständig durch das
metallische Stanzteil 2 des TO-Sockels geführt. Somit findet dann kein
Geometriewechsel vom Strip-Line Design auf das sogenannte Koaxialdesign
statt. Die beiden äußeren Anschlußleiter führen Masse und werden wie schon
im Falle der Ausführungsform gemäß Fig. 1 beschnitten und mit der
Unterseite des Stanzteils 2 hartverlötet.
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Fig. 3 zeigt eine der Ausführungsform gemäß Fig. 2 recht ähnliche
Ausführung. Der wesentliche Unterschied aber ist darin zu sehen, daß
vorliegend die eine Seite der Anschlußleiter 3 mit einer Deckschicht 7 bedeckt
ist (Fig. 4 und 5). Diese Deckschicht 7 weist eine möglichst hohe
Dielektrizitätskonstante auf. Hierdurch wird die effektive
Dielektrizitätskonstante des Gesamtsystems erhöht, was zu einer Absenkung
der Impedanz des Gesamtsystems führt. Vorliegend ist die Deckschicht 7 als
eine Folie ausgebildet, die sowohl die eine Seite der Anschlußleiter 3 als auch
die Zwischenräume 8 zwischen benachbarten Anschlußleitern 3 überspannt.
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Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, die dem Grunde nach jener
Ausführungsform gemäß Fig. 1 entspricht. Allerdings sind auch hier die
Anschlußleiter 3 auf einer Seite mit einer Deckschicht 7 (Fig. 7 und 8)
versehen mit den entsprechenden Eigenschaften wie vorstehend beschrieben.
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Vorstehend wurden Ausführungsformen vorgestellt, die zwei signalführende
Anschlußleiter 3 aufweisen. Hierauf ist das System nicht beschränkt. Vielmehr
läßt es sich analog ebenso für nur einen Anschlußleiter 3 oder eben noch
mehrere Anschlußleiter 3 aufbauen.