DE10221706B4

DE10221706B4 - TO-Gehäuse für Hochfrequenzanwendungen

Info

Publication number: DE10221706B4
Application number: DE2002121706
Authority: DE
Inventors: Robert Hettler; Neil Golden Heeke
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: TW200403819A; AU2003226650A1; WO2003098689A1; DE10221706A1

Abstract

TO-Gehäuse für Hochfrequenzanwendungen mit einem Stanzteil (2) als Sockel, welcher die elektronischen Bauelemente trägt, das mittels einer tassenförmigen Abdeckung verschlossen ist, bei dem elektrische Anschlußleiter (3) durch Durchgangsbohrungen (4) in dem Stanzteil (2) geführt sind und im Durchführungsbereich durch das Stanzteil (2) durch Einglasungen (5) hermetisch vom Stanzteil (2) getrennt und darin arretiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleiter (3) Teile eines Leadframes (6) sind, einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, und räumlich nebeneinander so angeordnet sind, daß zwischen zwei Anschlußleitern (3) auf Massepotential ein signalführender Anschlußleiter (3) liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein TO-Gehäuse für Hochfrequenzanwendungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wie er aus der US 5,019,829 bekannt ist. 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.

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.

Dies trifft auch zu bei den heute zum Einsatz kommenden Übertragungsraten von 1,25 oder 2,5 Gbit/s.

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 TO-Gehäuse besteht ein breites Interesse daran, die TO-Gehäuse auch weiterhin zu verwenden, insbesondere bei den hohen zur Anwendung kommenden Taktraten.

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.

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.

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 rechnen 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Aus der JP 2001085568 A ist eine Laseranordnung in einem TO-ähnlichen Gehäuse bekannt, worin statt herkömmlicher Pins Anschlußleiter mit einem rechteckigen Querschnitt eingesetzt werden und so die Anschlußleiter noch enger angeordnet werden können, ohne weitere Übertragungsverluste zu verursachen.

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.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein TO-Gehäuse des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dementsprechend ist bei einem TO-Gehäuse der eingangs genannten Art vorgesehen, daß die Anschlußleiter Teile eines Leadframes sind, 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.

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.

Gemäß der Erfindung sind die Anschlußleiter Teile eines sogenannten Lead-Frames. Lead-Frames sind Fächer aus einer Velzahl 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.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des TO-Gehäuses wird die Anpassung 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.

Besonders bevorzugt kann die Deckschicht als Folie ausgebildet sein, die sowohl die eine Seite der Anschlußleiter als auch die Zwischenräume zwischen benachbarten Anschlußleitern überspannt.

Alternativ hierzu kann die Deckschicht in einem Spritzgießverfahren aufgetragen sein.

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.

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.

Vorzugsweise sind die Anschlußleiter als sogenannte coplanar Waveguide angeordnet, wodurch noch die Anpassung weiter verbessert wird.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele gemäß der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Hierbei zeigt:
1: Die Ansicht eines Lead-Frames in Relation zu dem Stanzteil des TO-Gehäuses, gemäß seiner ersten Ausführungsform,
2: eine ähnliche Ansicht wie 1 einer anderen Ausführungsform,
3: eine noch weitere Ausführungsform in ähnlicher Ansicht wie in den 1 und 2,
4: die Schnittansicht entlang der Linie B-B in 3,
5: die Seitenansicht der Anordnung aus 3,
6: eine noch weitere Ausführungsform in ähnlicher Ansicht wie in 3,
7: eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in 6 und
8: eine Seitenansicht der Anordnung gemäß 6.
Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.
Einen ersten Überblick verschafft 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 5 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.
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.
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.
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.
In 2 ist eine Abwandlung des TO-Gehäuses gemäß 1 dargestellt. Auch hier wiederum sind lediglich die wesentlichen Bauteile Stanzteil 2 und Lead-Frame 6 dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 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-Live Design auf das sogenannte Koaxialdesign statt. Die beiden äußeren Anschlußleiter führen Masse und werden wie schon im Falle der Ausführungsform gemäß 1 beschnitten und mit der Unterseite des Stanzteils 2 hartverlötet.
3 zeigt eine der Ausführungsform gemäß 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 (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.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform, die dem Grunde nach jener Ausführungsform gemäß 1 entspricht. Allerdings sind auch hier die Anschlußleiter 3 auf einer Seite mit einer Deckschicht 7 (7 und 8) versehen mit den entsprechenden Eigenschaften wie vorstehend beschrieben.
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.

Claims

TO-Gehäuse für Hochfrequenzanwendungen mit einem Stanzteil (2) als Sockel, welcher die elektronischen Bauelemente trägt, das mittels einer tassenförmigen Abdeckung verschlossen ist, bei dem elektrische Anschlußleiter (3) durch Durchgangsbohrungen (4) in dem Stanzteil (2) geführt sind und im Durchführungsbereich durch das Stanzteil (2) durch Einglasungen (5) hermetisch vom Stanzteil (2) getrennt und darin arretiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleiter (3) Teile eines Leadframes (6) sind, einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, und räumlich nebeneinander so angeordnet sind, daß zwischen zwei Anschlußleitern (3) auf Massepotential ein signalführender Anschlußleiter (3) liegt.
TO-Gehäuse nach Anspruch 1, bei dem eine Seite der Anschlußleiter (3) mit einer Deckschicht (7) mit einer Dielektrizietätskonstanten ϵ im Bereich von zwei bis vier bedeckt sind.
TO-Gehäuse nach Anspruch 2, bei dem die Deckschicht (7) als Folie ausgebildet ist, die sowohl die eine Seite der Anschlußleiter (3) als auch die Zwischenräume (8) zwischen benachbarten Anschlußleitern (3) überspannt.
TO-Gehäuse nach Anspruch 3, bei dem die Deckschicht (7) im Spritzgießverfahren aufgetragen ist.
TO-Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Anschlußleiter (3) mit der Außenseite des Stanzteils (2) hartverlötet sind.
TO-Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zumindest ein masseführender Anschlußleiter (3) in das Innere des Gehäuses geführt ist.
TO-Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Anschußleiter (3) coplanar Waveguide angeordnet sind.