DE10247315B4 - TO-Gehäuse für Hochfrequenzanwendungen - Verdrahtungsträger aus Keramik - Google Patents

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Abstract

TO-Gehäuse für Hochfrequenzanwendungen mit einem Stanzteil (2) als Sockel, das mittels einer tassenförmigen Abdeckung (4) verschlossen ist, bei dem elektrische Anschlussleiter (5) in das Innere der Abdeckung (4) geführt sind, gekennzeichnet durch einen mit dem Stanzteil (2) verbundenen Verdrahtungsträger (6), durch dessen Inneres die Anschlussleiter (5) verlaufen und aus ihm wieder austreten, um mit Leiterbahnen (13) auf einer Platine (7) kontaktiert zu werden, wobei der Verdrahtungsträger (6) ein aus einer Mehrzahl von Lagen (8) bestehender Keramikkörper ist, in deren Inneren Durchkontaktierungen (9) für die Anschlussleiter (5) vorgesehen sind, und wobei das Stanzteil (2) und der Verdrahtungsträger (6) in einer von einer Platine (7) unabhängigen baulichen Einheit miteinander verbunden sind.

Description

  • 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.
  • 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 Hubs im Netzwerk findet 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 die Wellentheorie anwendet. 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.
  • 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 elektrische Weglänge in Glas von ca. 1,5 mm, was durchaus der tatsächlichen Dicke im Bereich des Einschmelzglases im TO-Gehäuse entspricht. Daher ist in diesem Anwendungsfall 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 optisches 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, wenn die Impedanz der Leitung 50 Ohm ist und diese mit einem Widerstand von 50 Ohm abgeschlossen wird.
  • Dieser Hintergrund ist problematisch für die Art der Kontaktierung des TO-Gehäuses mit einer Leiterplatte. Gegenwärtig wird das TO-Gehäuse über seine elektrische Anschlussstifte mit der Leiterplatte, welche das elektrische Signal zuführt oder abführt, kontaktiert. Hierbei erfolgt die Kontaktierung unmittelbar über die Anschlussleiter des TO-Gehäuses. Dabei kann die Montage sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung auf der Platine erfolgen. Vor dem eigentlichen Montageprozeß werden die Anschlussstifte dabei so gebogen, dass eine Montage auf der Platine erfolgen kann. Um nun die Verformung der Anschlussstifte zu ermöglichen, ist aber eine Länge der Stifte in der Regel > 1 mm notwendig.
  • Wie bereits oben beschrieben, werden heutzutage sehr viel höherfrequente Signale mit Taktraten von weit über 3,5 Gbit/s elektrooptischen Wandlern zugeführt. Dabei müssen die Anschlussleitungen in ihrem Wellenwiderstand definiert und an den Wellenwiderstand der Signalquelle angepasst sein. Die vorerwähnte elektrische Anbindung über Stifte und direkte Platinenmontage wird diesen Anforderungen nicht gerecht, da der Wellenwiderstand beim Biegen der Stifte nicht mehr eingehalten wird und als Folge davon eine Leitung mit undefiniertem Wellenwiderstand über eine Länge von mehr als 1 mm die Signale unzulässig verzerrt. Darüber hinaus besteht die Forderung nach automatengerechter Oberflächenmontage (SMT) und nach einem Abstand des TO-Gehäuses zur Platine von mehr als 1 mm bei vertikaler Montageanordnung.
  • Aus der US 6,422,766 B1 ist nun ein TO-Gehäuse für Hochfrequenzanwendungen mit einem Stanzteil als Sockel bekannt, welches mittels einer tassenförmigen Abdeckung verschlossen ist, bei dem elektrische Anschlussleiter in das Innere der Abdeckung geführt sind, mit einem dem Stanzteil verbundenen Verdrahtungsträger, durch dessen Inneres die Anschlussleiter verlaufen und aus ihm wieder austreten. Die Hochfrequenzeigenschaften des bekannten TO-Gehäuses sind bei den heute gebräuchlichen Frequenzen nicht mehr ausreichend. Die Hochfrequenztauglichkeit soll durch eine Kürzung der Abschlussstifte in einem Standard-TO-Boden erreicht werden. Aus diesem Grunde wird der für die Klebung benötigte Abstand zwischen Gehäuseboden und Trägerplatte minimal. Bei der Durchführung der Abschlussstifte kann es sich um eine koaxiale Anordnung handeln, die allerdings nicht auf hervorragende Hochfrequenzeigenschaften angepasst wurde. Die Zuführung der hochfrequenten Signale erfolgt über einen dünnen HF-Leiterbahnträger. Dieser HF-Leiterbahnträger entspricht einer Platine.
    •
  • Vor diesem Hintergrund ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein TO-Gehäuse mit definiertem Wellenwiderstand anzugeben, bei welchem die Länge der Anschlussverbindungen auch größer 1 mm sein kann, welches oberflächenmontagetauglich ist ebenso wie für die Anwendungen in Montageautomaten.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein TO-Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Ausgehend von einem TO-Gehäuse für Hochfrequenzanwendungen mit einem Stanzteil als Sockel, welches die elektronischen Bauelemente trägt, das mittels einer tassenförmigen Abdeckung verschlossen ist, bei dem elektrische Anschlussleiter in das Innere der Abdeckung geführt sind, wird ein mit dem Stanzteil verbundener Verdrahtungsträger vorgeschlagen, durch dessen Inneres die Anschlussleiter verlaufen und aus ihm wieder heraustreten, um mit Leiterbahnen auf einer Platine kontaktiert zu werden, wobei der Verdrahtungsträger ein aus einer Mehrzahl von Lagen bestehender Keramikkörper ist, in deren Inneren Durchkontaktierungen für die Anschlussleiter vorgesehen sind, und wobei das Stanzteil und der Verdrahtungsträger in einer von einer Platine unabhängigen baulichen Einheit miteinander verbunden sind.
  • In Abweichung von TO-Gehäusen gemäß dem Stand der Technik sind vorliegend also keine in Durchbohrungen im Stanzteil durch Einglasungen arretierte Anschlussleiter vorgesehen, die direkt mit der Platine verbunden werden. Vielmehr findet vorliegend ein aus mehreren Lagen aufgebauter Verdrahtungsträger Einsatz. Sollten noch Anschlussstifte des TO-Gehäuses vorhanden sein, so werden diese sehr kurz gehalten und in Bohrungen, die in dem Verdrahtungsträger eingebracht sind, eingelötet. Für die eigentliche Führung des Signals ist nun der Verdrahtungsträger zuständig, dessen Durchkontaktierungen mit Verfahren der Leiterplattentechnik als impedanzangepasste Leitungen realisiert sind. Der erfindungsgemäße Aufbau erlaubt eine sichere Signalführung bis zu sehr hohen Frequenzen auch über größere Längen. Die eigentliche Kontaktierung der Durchkontaktierungen des Verdrahtungsträgers mit den Leiterbahnen der Platine kann besonders bevorzugt mit den für die Oberflächenmontage üblichen Techniken wie beispielsweise mit einem Lead-Frame-Anschluß oder Ball-Grid-Array (BGA) durchgeführt werden. Das gleiche Verfahren kann auch für die horizontale Montage angewendet werden. Hervorzuheben ist, dass ein bislang möglicher Platinencharakter des Verdrahtungsträgers ausgeschlossen ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Durchkontaktierungen in den Lagen des Keramikkörpers so angeordnet sind, dass die signalführende Durchkontaktierung koaxial umgeben ist von mehreren masseführenden Durchkontaktierungen, die auf der Ober- und/oder Unterseite der Lagen mittels eines metallischen Ringes miteinander verbunden sind, derart, dass dieser die signalführende Durchkontaktierung konzentrisch umgibt. Durch diesen speziellen Aufbau wird gewährleistet, dass die von der signalführenden Kontaktierung ausgehenden Feldlinien sofort vom Massepotential aufgenommen werden und einen quasi koaxialen Wellenleiter bilden, so dass keine Störungen und Verzerrungen auftreten können.
  • Für die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen dem Stanzteil und dem Verdrahtungsträger sorgt eine Weiterbildung, wonach diese Verbindung durch Hartverlöten einer zuvor auf den Keramikkörper aufgebrachten Metallisierung realisiert ist. Die mechanische Stabilität des TO-Gehäuses ist insbesondere im Hinblick auf die Fähigkeit zu sehen, mittels eines Montageautomaten auf eine Platine gesetzt werden zu können.
    •
  • Denkbar ist auch eine Ausführungsform, bei der die Anschlussleiter in bekannter Weise durch Durchgangsbohrungen in dem Stanzteil geführt sind und im Durchführungsbereich durch das Stanzteil durch Einglasungen hermetisch vom Stanzteil getrennt und darin arretiert sind. Die Anschlussleiter können in diesem Fall kurz gehalten sein und – wie schon oben ausgeführt – in Bohrlöcher, die in den Verdrahtungsträger eingebracht sind, eingelötet sein. Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt:
  • 1 eine erste Ausführungsform des TO-Gehäuses mit Verdrahtungsträger bei vertikaler Montage mit BGA-Kontaktierung,
  • 2 eine weitere Form des TO-Gehäuses bei horizontaler Montage mit Lead-Frame-Kontaktierung,
  • 3 einen TO-Gehäusering auf einem Verdrahtungsträger bei vertikaler Montage mit BGA-Kontaktierung,
  • 4 die Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß 3,
  • 5 einen TO-Gehäusering auf einem Verdrahtungsträger bei horizontaler Montage mit Lead-Frame-Kontaktierung,
  • 6 eine weitere Ausführungsform bei vertikaler Montage mit BGA-Kontaktierung,
  • 7 die Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß 6, und
  • 8 eine noch weitere Ausführungsform bei horizontaler Montage mit Lead-Frame-Kontaktierung.
  • Nachfolgend sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen TO-Gehäuses. Dieses weist ein Stanzteil 2 auf, welches mit Hilfe einer tassenartigen Abdeckung 4 verschlossen ist. Stirnseitig weist das TO-Gehäuse eine optische Linse 14 auf. Die Linse 14 bündelt beispielsweise Laserlicht, welches von dem Bauelement 3 erzeugt wird, welches vom Sockel 2 getragen wird. Das Sockelteil 2 weist vorliegend Durchgangsbohrungen 11 auf, durch welche Anschlussleiter 5 in das Innere des TO-Gehäuses geführt werden. Die Anschlussleiter 5 sind in den Durchbohrungen durch Einglasungen 12 arretiert.
  • Die Anschlussleiter 5 sind vorliegend sehr kurz gehalten, da sie in Bohrungen verlötet sind, die mit Durchkontaktierungen 9 in Verbindung stehen. Die Durchkontaktierungen verlaufen durch Lagen 8 des Verdrahtungsträgers 6. Die Lagen 8 bestehen aus Keramik und bilden zusammen den Keramikkörper des Verdrahtungsträgers 6.
  • Platinenseitig sind die Anschlussleiter 5 an den Austrittsstellen aus dem Verdrahtungsträger 6 vorliegend für die Kontaktierung mit den Leiterbahnen 13 der Platine 7 als Ball-Grid-Array ausgebildet.
  • Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich zum einen durch die horizontale Montage auf der Platine 7 und zum anderen durch die unterschiedliche Kontaktierung mit der Platine 7 mittels Lead-Frame-Anschluss.
  • Die Ausführungsform gemäß 3 verfügt nicht mehr über Leiter, die in Einglasungen hermetisch abgeschlossen sind. Vielmehr ist der Verdrahtungsträger 6 hier in das TO-Gehäuse, in der Darstellung repräsentiert durch den Stanzring 2, integriert. Von dem TO-Gehäuse wird also nur noch der Außenring oder das Stanzteil genutzt, der als Montagefläche für die Abdeckung des Gehäuses dient. Auf diese Weise können alle bereits existierenden Formen für die Abdeckung für diese Ausführungsform genutzt werden. Der wesentliche Vorteil dieser Anordnung liegt aber in der direkten Anbindung an den Verdrahtungsträger 6. Die opto-elektronischen Wandlerelemente können direkt auf die Oberfläche des Verdrahtungsträgers 6 montiert werden. Hierfür können sämtliche für die Oberflächenmontage üblichen Techniken eingesetzt werden. Hochfrequenztechnisch ist diese Ausführungsform deswegen interessant, weil sie es erlaubt, impedanzangepasste Leitungen bis an das Bauelement heranzuführen. Darüber hinaus kann eine hohe Zahl elektrischer Anschlüsse realisiert werden, da durch die Anwendung der Leiterplattentechnik enge Verdrahtungsabstände realisierbar sind.
  • Die in 3 gezeigte Ausführungsform ist im übrigen wieder über ein Ball-Grid-Array mit den Leiterbahnen 13 der Platine 7 verbunden.
  • 4 zeigt die Aufsicht auf die Ausführungsform gemäß 3. Vorliegend sind die Durchkontaktierungen in den Lagen 8 des Verdrahtungskörpers 6 so angeordnet, dass die signalführende Durchkontaktierung 9S in der Mitte koaxial umgeben ist von mehreren masseführenden Durchkontaktierungen 9M. Diese sind dann auf der Oberseite und ggf. auf der Unterseite der Lagen 8 durch einen metallischen, elektrisch leitenden Ring 10 miteinander verbunden. Auf diese Weise umgibt der Ring 10 die signalführende Durchkontaktierung 9S konzentrisch. Hierdurch wird eine hervorragende Abschirmung und Impedanzanpassung erzielt.
  • 5 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wir 4, allerdings bei horizontaler Montage mit Lead-Frame-Kontaktierung. Hochfrequenztechnisch fällt die Ausführungsform gemäß 5 ähnlich aus wie jene gemäß 4.
  • Die Verbindung des Stanzteils 2 mit dem Verdrahtungsträger 6 in den Ausführungsformen gemäß den 3 und 5 erfolgt durch ein Hartlöten. Hierzu ist vorher eine Metallisierung auf den Keramikkörper des Verdrahtungskörpers 6 an den Stellen aufgebracht worden, welche mit dem Stanzteil verbunden werden sollen.
  • 6 zeigt eine noch weitere Ausführungsform des TO-Gehäuses. Im Unterschied zu jener gemäß 3 ist das Stanzteil 2 des TO-Gehäuses vorliegend nicht gefüllt mit einer keramischen Lage des Verdrahtungskörpers 6. Diese Ausführungsform ist insofern eine einfachere als jene gemäß 3. Auch vorliegend übt das Stanzteil 2 wie bei der Ausführungsform gemäß 3 eine nur rein mechanische Funktion, hingegen keine elektrische Funktion aus. Die Ausführungsform gemäß 3 hat gegenüber jene der 6 den Vorteil, dass der aufzubringende Chip nicht in eine Vertiefung gesetzt werden muss, wie dies bei jener gemäß 6 der Fall ist. Dies hängt jedoch von der Ausrüstung des jeweiligen Verwenders ab, ob also die Bauelemente ohne Probleme in die Vertiefung eingesetzt werden können (6) oder eben nicht (3).
  • 7 zeigt wieder die Aufsicht auf die Ausführungsform gemäß 6. Insofern wird auf die Ausführungen zu 4 verwiesen.
  • 8 schließlich zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie 6, jedoch bei horizontaler Montage mit Lead-Frame-Kontaktierung mit den Leiterbahnen 13 auf der Platine 7.
  • Die neuartige Heranführung der Anschlussleiter mittels des Verdrahtungsträgers 6 bietet die Möglichkeit einer impedanzangepassten Leitung in vertikaler Richtung zu den keramischen Lagen des Verdrahtungsträgers 6. Erst diese Leitungsführung im Verdrahtungsträger 6 gestattet den Einsatz für die hohen Frequenzen, für welche das TO-Gehäuse konzipiert ist.
    • 2.
    Stanzteil
    3.
    Bauelemente
    4.
    Abdeckung
    5.
    Anschlussleiter
    6.
    Verdrahtungsträger
    7.
    Platine
    8.
    Lage
    9.
    Durchkontaktierung
    10.
    Metallischer Ring
    11.
    Durchgangsbohrungen
    12.
    Einglasung
    13.
    Leiterbahn
    14.
    Optische Linse

Claims (6)

  1. TO-Gehäuse für Hochfrequenzanwendungen mit einem Stanzteil (2) als Sockel, das mittels einer tassenförmigen Abdeckung (4) verschlossen ist, bei dem elektrische Anschlussleiter (5) in das Innere der Abdeckung (4) geführt sind, gekennzeichnet durch einen mit dem Stanzteil (2) verbundenen Verdrahtungsträger (6), durch dessen Inneres die Anschlussleiter (5) verlaufen und aus ihm wieder austreten, um mit Leiterbahnen (13) auf einer Platine (7) kontaktiert zu werden, wobei der Verdrahtungsträger (6) ein aus einer Mehrzahl von Lagen (8) bestehender Keramikkörper ist, in deren Inneren Durchkontaktierungen (9) für die Anschlussleiter (5) vorgesehen sind, und wobei das Stanzteil (2) und der Verdrahtungsträger (6) in einer von einer Platine (7) unabhängigen baulichen Einheit miteinander verbunden sind.
  2. TO-Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierungen (9) in den Lagen (8) des Keramikkörpers so angeordnet sind, dass die signalführende Durchkontaktierung (9S) koaxial umgeben ist von mehreren masseführenden Durchkontaktierungen (9M), die auf der Ober- und/oder Unterseite der Lagen mittels eines metallischen Ringes (10) miteinander verbunden sind, derart, dass dieser die signalführende Durchkontaktierung (9S) konzentrisch umgibt.
  3. TO-Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Stanzteil (2) und Verdrahtungsträger (6) durch Löten einer zuvor auf den Keramikkörper aufgebrachten Metallisierung realisiert ist.
  4. TO-Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleiter (5) durch Durchgangsbohrungen (11) in dem Stanzteil (2) geführt sind und im Durchführungsbereich durch das Stanzteil (2) durch Einglasungen (12) hermetisch vom Stanzteil (2) getrennt und darin arretiert sind.
  5. TO-Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleiter (5) an den Austrittsstellen aus dem Verdrahtungsträger (6) für die Kontaktierung mit der Platine (7) mittels Lead-Frame-Anschluss ausgebildet sind.
  6. TO-Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleiter (5) an den Austrittsstellen aus dem Verdrahtungsträger (6) für die Kontaktierung mit der Platine (7) mittels Ball-Grid-Array ausgebildet sind.
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