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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 TO-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 mehr.
Vielmehr geht man in der Optoelektronik von einer hinreichenden
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 eine erhebliche Reduzierung der erforderlichen
Bandbreite, so dass man bei einem Signal mit einer Taktfrequenz
von 2,5 Gbit/s davon ausgeht, dass lediglich ungefähr 2,5 – 3,2 GHz
Bandbreite vorhanden sein muß,
wohingegen in der Nachrichtentechnik theoretisch eine Mindestbandbreite
von 25 GHz bereitgestellt werden müßte.
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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 optisches 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 tolerabel erscheint. Bei höheren
Frequenzen sind die Verluste zu hoch.
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Ein weiteres Problem in Verbindung
mit dem Hochfrequenzeinsatz der bekannten TO-Gehäuse ist in der Wärmeentwicklung
in den elektronischen Bauelementen, die in dem TO-Gehäuse eingekapselt sind,
zu sehen. Hier treten leicht Hitzeüberschreitungen auf, die zum
Totalausfall der Schaltkreise führen können.
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Vor diesem Hintergrund ist es nun
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein präzise impendanzanpaßbares TO-Gehäuse zu schaffen,
welches für
wesentlich höhere
Frequenzen oder Taktraten als bisher geeignet ist und dabei für eine hohe
Wärmeableitung
von den im TO-Gehäuse
untergebrachten elektronischen Komponenten zu sorgen. Gelöst wird diese
Aufgabe durch ein TO-Gehäuse
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Demgemäß ist bei einem TO-Gehäuse mit einem
Stanzteil als Sockel, welcher die elektronischen Bauelemente trägt, das
mittels einer tassenförmigen
Abdeckung verschlossen ist, vorgesehen, dass ein keramisches Substrat
durch eine Ausstanzung im Sockel geführt und durch eine Einglasung darin
arretiert ist und dass die elektrischen Anschlussleiter für die elektronischen
Bauelemente durch Metallisierungen auf dem keramischen Substrat
realisiert sind.
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Die Ausstanzung im Sockel kann der
Form des keramischen Substrates angepasst sein, also beispielsweise
rechteckig im Querschnitt sein, oder aber sie kann beispielsweise
auch kreisförmig
sein. Diskrete elektrische Leiter wie im Stand der Technik finden
vorliegend grundsätzlich
keinen Einsatz mehr. Vielmehr sind diese Leiter auf das keramische
Substrat aufmetallisiert durch geeignete Verfahren, wie beispielsweise
Siebdruck oder Sputtern. Dies erlaubt eine sehr viel genauere Ausbildung
der Leiterstrukturen im Verhältnis
zum Einsatz von diskreten Leitern, wodurch die Impendanzanpaßung auf
niedrigem Niveau erheblich verbessert wird. Die genauere Ausbildung
der Leiterstrukturen äußert sich
darin, dass die Spalte zwischen einzelnen Metallisierungen auf 10 bis
20 μm reduziert
werden können.
Hierdurch sind auch wesentlich mehr IO's realisierbar als im Falle von
diskreten Leitern. Insgesamt lässt
sich mit den feineren Strukturen das gesamt HF-Design des TO-Gehäuses erheblich
verbessern.
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Hinsichtlich der Wärmeableitungsproblematik
wird ein wärmeleitendes
keramisches Substrat als Träger
für die
Metallisierungen herangezogen. Besonders bevorzugt wird Aluminiumoxid
oder Aluminiumnitrid verwendet. Letzteres hat den Vorteil einer sehr
hohen Wärmeleitfähigkeit
von 180 W/m*K. Für noch
höhere
Wärmeableitungsanforderungen
kann auch besonders bevorzugt Berryliumoxid mit einer Wärmeleitfähigkeit
von ca. 250 W/m*K in Betracht gezogen werden. Durch die verwendeten
Materialien wird gewährleistet,
dass die Wärme
der im TO-Gehäuse
angeordneten aktiven Bauteile, wie beispielsweise eine Laserdiode,
sicher abgeleitet wird, ohne dass der Betrieb der Bauteile beeinflusst
würde.
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Die Metallisierung des keramischen
Substrates ist im übrigen
derartig ausgelegt, dass die Materialien, typischennreise Wolfram,
Molybdän/Mangan, eine
nachfolgende Bearbeitung bei üblichen
Glaseinschmelztemperaturen von ca. 1000° Celsius überstehen. Bei einer nachfolgenden
Galvanisierung können Nickel
und Gold aufgetragen werden, um die Korrosionsbeständigkeit
des TO-Stanzteils zu erhöhen
und die Oberflächen
bondfähig
zu machen.
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Hinsichtlich der präzisen Impedanzanpassbarkeit
kann bevorzugt vorgesehen sein, dass mit dem Stanzteil ein zusätzlicher
massepotentialführender
Anschlussleiter verlötet
ist. Alternativ hierzu kann mit dem Stanzteil ein metallisches Winkelteil
zur Verbindung mit einer massepotentialführenden Metallisierung auf
dem Substrat verlötet
sein. Durch diese Maßnahmen
wird bewirkt, dass das Stanzteil des TO-Gehäuses
auf definiertes Spannungspotential gebracht wird, mit entsprechend
günstigen
Beeinflussungsmöglichkeiten
auf das HF-Verhalten.
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Die geometrischen Verhältnisse
zwischen Substrat-, Metallisierungsdicke, Spaltbreite zwischen zwei
Metallisierungen und der Pfadbreite der Metallisierungen sowie darüber hinaus
die Dielektrizitätskonstante
des Substrats bestimmen den Wellenwiderstand oder Impedanz. Für Bauteile
in der Datenkommunikation sind Impedanzen von 50 bzw. 25 Ohm gebräuchlich.
Diese lassen sich mit den beschriebenen Strukturen herstellen. Da
die elektromagnetische Welle, das HF Signal, nur zum Teil im Substrat
geführt
ist und sich der Rest im umgebenden Material fortbewegt, muß statt
der Dielektrizitätskonstante
des Substrats eine sogenannte effektive Dielektrizitätszahl angenommen
werden. Die effektive Dielektrizitätskonstante ist ein errechneter
Wert, der zwischen den Dielektrizitätszahlen des Substrates und
des umgebenden Materials (Luft oder Glas) liegt.
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Beim Übergang von Luft mit der Dielektrizitätskonstante εr =
1 in das Glas mit der Dielektrizitätskonstante εr > 4 im Durchführungsbereich
durch das Stanzteil kommt es daher zu einer Erhöhung der effektiven Dielektrizitätszahl.
Zur Kompensation dieser Änderung
ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Breite der Metallisierungen
im Übergangsbereich
von Luft in die Einglasung abnimmt und die Spaltbreite zwischen
zwei Metallisierungen entsprechend zunimmt. Hierdurch werden Impedanzunterschiede
und damit Signalreflektionen vermieden.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung planarer
Strukturen, da dann kein Geometriewechsel in der Übertragungskette
Board zum TO-Header
und von dort weiter zum Chip stattfindet. Gemäß einer besonders bevorzugten
Geometrie ist vorgesehen, dass die Metallisierungen der Keramik
so angeordnet sind, dass eine signalführende Metallisierung zwischen
zwei Metallisierungen auf Massepotential liegt. Dies ist besonders
günstig
für den
Verlauf der Feldlinien, da diese dann von der signalführenden
Metallisierung direkt in Metallisierungen auf Massepotential übergehen
können.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sieht
vor, dass eine Seite des keramischen Substrates vollflächig metallisiert
ist und diese Metallisierung auf Massepotential liegt und die signalführenden
Metallisierungen auf der gegenüberliegenden
Seite des Substrates angeordnet sind.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass
das Massepotential mittels Durchkontaktierungen durch das Substrat
zu einzelnen Metallisierungen auf der anderen Seite des Substrates
geführt
ist.
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Das konkrete Design muß anhand
der Einsatzparameter erfolgen. Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen TO-Gehäuse ist
deren Oberflächenmontierbarkeit
auf den Boards und dass aufgrund der kleinen Strukturen mehr IO-Leitungen realisierbar
sind.
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Die Erfindung wird anhand einiger
Ausführungsbeispiele
gemäß der Zeichnungsfiguren
näher erläutert. Hierbei
zeigt:
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1 eine
Aufsicht auf das Stanzteil des TO-Gehäuses mit dem der in einer Ausstanzung
des Stanzteils arretierten keramischen Substrat,
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2 eine ähnliche
Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform,
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3 eine
Ansicht entlang der Linie III-III in 2,
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4 eine
Ansicht entlang der Linie IV-IV in 2,
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5 eine
Ansicht entlang der Linier V-V in 2,
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6 ein
erstes Design des keramischen Substrates,
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7 ein
weiteres Design des Substrates,
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8 ein
noch weiteres Design des Substrates,
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9 ein
noch anderes Design des Substrates, und
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10 ein
schließlich
noch weiteres Design des Substrates.
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Nachfolgend sind gleiche Teile mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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Einen ersten Überblick verschafft 1. Darin dargestellt ist
die Aufsicht auf ein Stanzteil 2 des TO-Gehäuses, bei
dem auf die Darstellung der tassenförmigen Abdeckung sowie der
elektronischen Bauelemente verzichtet worden ist. Im Boden des Stanzteils
ist eine Ausstanzung 4 angeordnet. Durch diese Ausstanzung 4 ist
das keramische Substrat 3 gesetzt und in der Ausstanzung 4 durch
eine Einglasung 5 arretiert. Auf der einen Seite ist das
keramische Substrat 3 metallisiert, derart, dass Anschlussleiter 6 ausgebildet
sind, wie sich insbesondere aus 3 ergibt,
welche auch auf die Ausführungsform von 1 zutrifft. Vorliegend weist
das keramische Substrat 3 einen rechteckigen Querschnitt
auf. Diesem angepasst sind die Konturen der Austanzung 4. Dies
ist nicht zwingend. Denkbar wäre
auch eine kreisförmige
Ausstanzung (nicht dargestellt) durch welche das keramische Substrat
verläuft.
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2 zeigt
eine weiterentwickelte Ausführungsform.
Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zur Ausführungsform
gemäß 1 erläutert. Zusätzlich zu dem keramischen Substrat 3 mit
den Metallisierungen 6 ist vorliegend eine weitere Ausstanzung 8 im
Stanzteil 2 angebracht. Durch diese verläuft ein
weiterer diskreter Anschlussleiter 7, der in der Ausstanzung 8 durch
eine weitere Einglasung 5 arretiert ist. Diese Ausführungsform
veranschaulicht die Vielfalt, welche das erfindungsgemäße Konzept bietet.
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Zusätzlich hierzu ist mit der Unterseite
des Stanzteils 2 ein weiterer Leiter 9 verlötet, der
das Stanzteil 2 definiert auf Massepotential zieht.
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3 zeigt
die nähere
Ausführung
des keramischen Substrates 3 mit darauf aufmetallisierten Leitungspfaden 6 und
entsprechenden Spalten zwischen diesen einzelnen Leitungsbahnen.
Vorliegend nicht dargestellt ist die oben erwähnte Ausführungsform, wonach sich die
Breite der Metallisierungen 6 beim Übergang von Luft in die Einglasung 5 abnimmt.
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4 zeigt
die Ansicht entlang der Linie IV-IV und die 5 die Ansicht entlang der Linie V-V in 2 und dienen zur Abrundung
des Bildes.
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In den 6 bis 10 sind nun verschiedene Designs
für das
keramische Substrat 3 mit unterschiedlichen Metallisierungen
dargestellt.
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6 zeigt
das sogenannte Slotline-Design. Auf dem Substrat 3 sind
eine signalführende
Metallisierung 6 S und eine masseführende Metallisierung 6 M
dargestellt.
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7 zeigt
das sogenannte Grounded Slotline-Design. Im Gegensatz zu dem Design
in 6 ist vorliegend
die Unterseite des keramischen Substrates vollständig metallisiert. Mittels
einer Durchkontaktierung 10 durch das Substrat 3 wird
das Massepotential auf eine weitere Metallisierungsbahn auf der Oberseite
des Substrates 3 geführt.
Die signalführende
Metallisierung 6 S ist auf der gegenüberliegenden Seite vorgesehen.
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8 zeigt
das Microstrip-Design, bei dem die Unterseite des Substrates vollständig metallisiert ist
mit einer masseführenden
Metallisierung 6 M. Auf der Gegenseite des Substrates 3 ist
eine signalführende
Metallisierung 6 S vorgesehen.
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9 zeigt
das sogenannte Coplanar Waveguide (CPW)-Design, bei dem auf dem
Substrat 3 eine signalführende
Metallisierung 6 S beidseitig eingefasst ist von den masseführenden
Metallisierungen 6 M.
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10 schließlich zeigt
das sogenannte Grounded Coplanar Waveguide (GCPW)-Design, bei dem
die Unterseite des Substrates 3 vollständig metallisiert ist und auf
Massepotential liegt. Auf der Gegenseite des Substrates ist eine
signalführende
Metallisierung 6 S eingefasst von zwei masseführenden Metallisierungen 6 M,
die aufgrund einer Durchkontaktierung 10 durch das Substrat
mit der Unterseite in Verbindung steht.
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Zusammenfassend seien nochmals die
Vorteile aufgeführt:
- 1. Es ist ein präzises HF-Design möglich, und zwar
durch Verwendung planarer Strukturen. Es findet kein Geometriewechsel
in der Übergangskette
Board zum TO-Header und von dort zum Chip statt.
- 2. Das keramische Substrat dient als Wärmesenke, insbesondere bei
hochwärmeleitfähigen Keramiken.
- 3. Die TO-Gehäuse
sind oberflächenmontierbar (SMD).
- 4. Es sind mehr IO-Leitungen realisierbar aufgrund der Miniaturisierbarkeit
der Leitungspfade der Metallisierungen.