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Die
US-6,255,730 beschreibt
verschiedene Dickfilmtechniken, die mit dem jüngsten Aufkommen von bestimmten
dielektrischen Materialien möglich werden.
Diese sind KQ-120 und KQ-CL907406,
die Produkte von Heraeus Cermalloy, 24 Union Hill Road, West Conshohocken,
Pa, USA, sind. Im folgenden werden wir diese Produkte als das „KQ-Dielektrikum" oder einfach als „KQ" bezeichnen. Insbesondere
beschreibt jene Patentschrift den Aufbau einer „eingekapselten" Mikrostreifenübertragungsleitung,
für die
der Begriff „quasikoaxial" geprägt wurde. Die
vorliegende Offenbarung betrifft ferner neuartige und nützliche
Dickfilmtechniken, die sich sowohl auf quasikoaxiale Übertragungsleitungen
als auch (im selben Sinn) auf „abgeschirmte,
koplanare" Übertragungsleitungen
beziehen, die bisher nicht praktisch waren und die mit diesen KQ-Dielektrika
praktiziert werden können.
Dementsprechend ist die
US-6,255,730 durch
Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen.
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Eine „Hybrid"-Schaltung, die aus einem Substrat mit
verschiedenen Dickfilmstrukturen auf demselben besteht, die mit
einer Mehrzahl von ICs (integrierten Schaltungen, IC = integrated
circuit) verbunden sind, ist weiterhin eine attraktive Methode zum Erzeugen
von funktionell komplexen und hochfrequenten Baugruppen aus „Komponenten"-ICs. Es ist oft
der Fall, daß es
notwendig oder sehr wünschenswert
ist, Übertragungsleitungen
zu verwenden, um diese ICs miteinander zu verbinden oder um sie
mit einer äußeren Umgebung
zu verbinden. Wir interessieren uns besonders für den Fall, bei dem die Übertragungsleitung
der in der Patentschrift, die in die vorliegende Patentanmeldung
aufgenommenen ist, beschriebene Typ von eingekapselten Mikrostreifen
ist. Mit dem Begriff „eingekapselt" meint jene Patentschrift,
daß die Übertragungsleitung,
die in dem Beispiel der Verfasser jener Patentschrift das ist, was ansonsten
als Mikrostreifen bezeichnet wird, vollständig abgeschirmt ist, wobei
der Mittelleiter vollständig
von Masse umgeben ist. Es handelt sich nicht gerade um eine Sache,
die wir normalerweise als eine „koaxiale" Übertragungsleitung
bezeichnen würden,
da ihr Querschnitt keine Symmetrie um eine Achse aufweist; statt
eines dicken Punktes und eines umgebenden Kreises weist sie eine
Linie und ein rechteckiges Trapez als Querschnitt auf. Trotzdem finden
wir es angemessen und zweckmäßig, sie
(die „eingekapselte" Übertragungsleitung der
US-6,255,730 ) als eine „quasikoaxiale" Übertragungsleitung zu bezeichnen,
die, wie anzumerken ist, ziemlich klein ist (vielleicht 0,050 Zoll
breit und 0,010 Zoll oder 0,015 Zoll hoch).
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Wir interessieren uns ferner besonders
für eine
andere Art von Übertragungsleitung,
die man normalerweise als koplanare Übertragungsleitung bezeichnen
würde.
Dies ist in der Regel eine auf einem Dielektrikum gebildete Struktur
aus drei Leitern. Ein Element ist eine Mittelleiterspur (wahrscheinlich mit
einem rechteckigen Querschnitt), die auf beiden Seiten eine Massespur
(mit einem wahrscheinlich viel breiteren rechteckigen Querschnitt)
aufweist. Die übliche
Weise eines Aufbaus besteht darin, mit einem dielektrischen Substrat
zu beginnen, das eine leitfähige
Lage aufweist, die mit einer Seite verbunden ist und als Masseebene
dient, und dann zwei parallele Metallstreifen wegzuätzen, um
die Mittelspur mit Masse auf beiden Seiten zu belassen. Somit ist eine
koplanare Übertragungsleitung
nicht abgeschirmt, außer
an den Seiten. Insbesondere interessieren wir uns ferner für „abgeschirmte" koplanare Übertragungsleitungen.
Mit dieser Terminologie meinen wir, daß die Struktur aus drei Leitern
und eine erhöhte
Plattform aus dielektrischem Material auf einer intakten Masseebene
gebaut sind, die als Abschirmung für entweder die obere oder die
untere koplanare Übertragungsleitung
dient, und daß die
beiden Massespu ren, die von der dielektrischen Plattform herunterführen, an
ihren Außenkanten
kontinuierlich mit jener Masseebene verbunden sind.
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Zur Verwendung bei Mikrowellenhybridschaltungen
desjenigen Typs, für
den wir uns interessieren, sind beide Typen von Übertragungsleitungen in Bezug
auf ihre physische Größe allgemein
vergleichbar, und beide verlaufen nach Bedarf mäanderförmig, um mit den entsprechenden
Komponenten auf der Hybridschaltung verbunden zu sein.
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Eine der durch Übertragungsleitungen allgemein
erfüllte
Funktion besteht darin, ein Abschließen von Einheiten (Eingänge, Ausgänge) mit
einer zugeordneten Impedanz zu unterstützen. Übertragungsleitungen weisen
eine charakteristische Impedanz Z0 (z.B.
50 Ω) auf,
und der übliche
Fall besteht darin, daß die
verschiedenen Eingangs- und Ausgangsimpedanzen so entworfen sind,
daß sie
dieselben sind, und daß die
Z0 der miteinander verbundenen Übertragungsleitungen
mit dieser Impedanz übereinstimmt.
Nachdem dies bewerkstelligt ist, ist es üblich, einen Abschlußwiderstand
R eines Werts R = Z0 zu finden, der durch
eine Z0-Übertragungsleitung
mit einer Einheit, die abgeschlossen werden muß, verbunden ist. Es gibt verschiedene
gute Gründe,
dies zu tun, die alle denjenigen, die HF- und Mikrowellentechniken
praktizieren, vertraut sein werden. Ein üblicher Begriff für diese
Praxis lautet „eine Übertragungsleitung
abschließen" oder eine „abgeschlossene" Übertragungsleitung aufzuweisen,
die mit XY verbunden ist.
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Es wäre wünschenswert, wenn es eine Möglichkeit
gäbe, die
abgeschirmten koplanaren und quasikoaxialen Typen von Übertragungsleitungen, die
auf einem Substrat hergestellt sind, zu verwenden, um einen Abschlußwiderstandswert
mit einer Einheit auf der Hybridschaltung, die einen derartigen Abschluß benötigt, zu
verbinden. Manche bekannten Techniken zum Verbinden mit Komponenten,
beispielsweise Widerständen,
beinhalten Durchkontaktierungen. Durchkontaktierungen erhö hen die
Herstellungskosten, stellen während
der Herstellung oft einen erschwerenden Faktor dar und sind eine
Quelle einer schädlichen
Induktivität.
Es besteht ein Bedarf an einer kostengünstigen, zweckmäßigen und elektrisch
akzeptablen Möglichkeit,
abgeschirmte koplanare und quasikoaxiale Übertragungsleitungen, die auf
einem Substrat hergestellt sind, abzuschließen. Was ist zu tun?
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, abgeschlossene Übertragungsleitungen
zu schaffen, die auf kostengünstige,
zweckmäßige und elektrisch
akzeptable Weise abgeschirmt sind.
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Diese Aufgabe wird durch abgeschlossene Übertragungsleitungen
gemäß Anspruch
1 oder 6 gelöst.
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Auf einer Masseebene aus Au, die
durch ein Keramiksubstrat getragen wird, wird eine abgeschlossene,
abgeschirmte koplanare Übertragungsleitung
hergestellt. Ein Band eines KQ-Dielektrikummaterials
wird auf der Masseebene gebildet, und anschließend wird eine strukturierte
Schicht aus Au über
demselben gebildet. Die Struktur umfaßt einen Mittelleiterstreifen,
der allgemein mittig auf dem KQ-Band angeordnet ist, und zwei benachbarte
Massestreifen, wobei jeder der letzteren breit genug ist, um sich
entlang der Seiten des KQ-Bandes nach unten zu erstrecken, um zu
der Masseebene zu gelangen. Das Band aus KQ weist ein distales Ende
auf, und die Au-Massestreifen sind um dieses Ende gewickelt, um
sich zu begegnen, und setzen sich fort, um die Masseebene in der
Nähe jenes
distalen Endes des Bandes zu berühren.
Der eigentliche Abschluß wird
durch ein Aufbringen eines der folgenden gebildet: zweier 2Z0-Widerstände,
wobei jeder in einem rechten Winkel von dem Mittelleiter zu den
benachbarten Massestreifen verläuft;
oder eines Z0-Widerstandes, der sich über das
Ende des Mittelleiters hinaus erstreckt, um die geerdeten Streifen
zu erreichen, die sich um das distale Ende wickeln. Eine abgeschlossene
quasikoaxiale Übertragungsleitung
auf einem Substrat kann erzeugt werden, indem zunächst eine
der soeben beschriebenen abgeschirmten koplanaren Übertragungsleitungsstrukturen
hergestellt wird und anschließend
der gesamte erhöhte Abschnitt
mit Ausnahme des Abschlußwiderstands bzw.
der Abschlußwiderstände mit
einem anderen (schmäleren)
Band aus KQ-Dielektrikummaterial bedeckt wird, das anschließend mit
einer Schicht aus Au bedeckt wird. Das andere Ende der Übertragungsleitung
wird unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Technik mit einer
Komponente auf dem Hybrid gekoppelt.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachfolgend
Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische, weggeschnittene Draufsicht eines distalen Endes
einer abgeschirmten koplanaren Übertragungsleitung,
die auf einem Keramiksubstrat hergestellt und durch ein Paar von
R = 2Z0-Widerständen abgeschlossen ist, die
sich jeweils von dem Mittelleiter zu einer anderen geerdeten Seite
der Übertragungsleitung
erstrecken;
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2 eine
perspektivische, weggeschnittene Draufsicht eines distalen Endes
einer abgeschirmten, koplanaren Übertragungsleitung,
die auf einem Keramiksubstrat hergestellt und durch einen einzelnen
R = Z0-Widerstand abgeschlossen ist, der sich
entlang der Richtung des Mittelleiters und über das Ende des Mittelleiters
hinaus erstreckt, um ein geerdetes Ende der Übertragungsleitung zu erreichen;
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3 eine
perspektivische, weggeschnittene Draufsicht eines distalen Endes
einer quasikoaxialen Übertragungsleitung,
die auf einem Keramiksubstrat hergestellt und durch ein Paar von
R = 2Z0-Widerständen abgeschlossen
ist, die sich jeweils von dem Mittelleiter zu einer anderen geerdeten
Seite der Übertragungsleitung
erstrecken; und
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4 eine
perspektivische, weggeschnittene Draufsicht eines distalen Endes
einer quasikoaxialen Übertragungsleitung,
die auf einem Keramiksubstrat hergestellt und durch einen einzelnen
R = Z0-Widerstand
abgeschlossen ist, der sich entlang der Richtung des Mittelleiters
und über
das Ende des Mittelleiters hinaus erstreckt, um ein geerdetes Ende der Übertragungsleitung
zu erreichen.
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Es sei nun auf 1 Bezug genommen, bei der eine perspektivische,
weggeschnittene Draufsicht 1 eines distalen Endes einer
auf einem Substrat 2 hergestellten abgeschirmten, koplanaren Übertragungsleitung
gezeigt ist, wobei das Substrat beispielsweise aus 0,102 cm (0,040
Zoll) dickem 96%igem Aluminiumoxid bestehen könnte. Die abgeschirmte, koplanare Übertragungsleitung
gemäß den Dickfilmtechniken,
die in der hierin aufgenommenen Patentschrift '730B1 gelehrt sind, hergestellt. Insbesondere
beachte man die Masseebene 3, die auf die „Oberseite" des Substrats 2 (d.h.
auf dieselbe Seite wie die abgeschirmte, koplanare Übertragungsleitung)
aufgebracht ist und die, wie dies für Masseebenen typisch ist,
sich nach Bedarf liberal in alle Richtungen erstrecken kann. Die
Masseebene kann aus Metall, vorzugsweise Gold, sein, und falls Muster bzw.
Strukturen in derselben erforderlich sind, kann ein Prozeß eines ätzbaren
Dickfilm-Au, beispielsweise Heraeus KQ-500, verwendet werden. Die
abgeschirmte, koplanare Übertragungsleitung
selbst umfaßt
eine Basisschicht oder einen Basisstreifen 4 aus KQ-Dielektrikummaterial,
die bzw. der nach Bedarf für
den gewünschten
Weg der Übertragungsleitung mäanderartig
verläuft.
(Mit „mäanderförmig verläuft" meinen wir nicht
unbedingt, daß sie
bzw. er einen serpentinenförmigen
Weg einschlägt,
sondern lediglich, daß sie
bzw. er dorthin geht, wo sie bzw. er hingehen muß.) Nachdem diese Basisschicht 4 an
Ort und Stelle ist, wird über
die gesamte obe re Oberfläche
der Basisschicht 4 eine geeignete Schicht bzw. ein geeigneter
Streifen eines Metalls 5 (das vorzugsweise Au ist) aufgebracht.
Dieser Streifen bzw. diese Schicht aus Metall 5 verbindet
sich elektrisch mit der Masseebene 3 und fungiert als eine
Erweiterung derselben. Der Streifen bzw. die Schicht 5 wird
anschließend
strukturiert, um Material, dessen Nichtvorhandensein einen Mittelleiterstreifen 6 und
Kontaktstellen oder Anschlußflächen 9 und 10 erzeugt,
zu entfernen. Die strukturierte Schicht 5 und der Mittelleiterstreifen 6 bilden
somit eine koplanare Übertragungsleitung
der charakteristischen Impedanz Z0. Sie
ist eine abgeschirmte, koplanare Übertragungsleitung, da sich
die Masseebene 3 unter derselben erstreckt. Lassen Sie
uns diesen Abschnitt der Masseebene 3, der sich unter der Übertragungsleitung
befindet, als „Masseabschirmung" bezeichnen.
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Abschlußwiderstände (7 und 8)
weisen jeweils einen ohmschen Wert von zweimal Z0 auf
und werden anschließend
zwischen die Anschlußflächen 9 und 10 und
den Mittelleiterstreifen 6 plaziert, wie gezeigt ist. Sie
können
unter Verwendung herkömmlicher
Dickfilmtechniken bedruckt werden, oder sie können sogar einzelne Stückteile
sein, beispielsweise oberflächenmontierte
Chipwiderstände.
Der Teil der Übertragungsleitung,
an dem die Abschlußwiderstände plaziert
sind, wird als das distale Ende bezeichnet. Voraussichtlich gelangt
das andere Ende der Übertragungsleitung
an einen nützlichen
Ort und wird auf irgendeine herkömmliche
Weise (z.B. durch ein Drahtbonden mit einem Abschluß oder einer
Anschlußfläche auf
einem Integrierte-Schaltung-Chip) mit demselben verbunden.
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Die in 1 gezeigte
Abschlußtechnik
ist bei sehr hohen Frequenzen, beispielsweise über 30 GHz, effektiv. Teilweise
ist dies auf die geringe Größe der beteiligten
Geometrien zurückzuführen. Im
Vergleich zu den beteiligten Wellenlängen sind sie immer noch klein.
Diese Tatsache und die Tatsache, daß der Weg zur Masse sehr direkt
ist, tragen dazu bei, jegliche durch Streureaktanzen verursachten Probleme
abzumildern. (Streuungen sind der Ruin von Abschlüssen eines
Gerätegütegrades,
vor allem, wenn sie in großen
Paketen vorliegen, beispielsweise solchen, die zur Verwendung bei
7-mm-Verbindern entworfen sind, beispielsweise Typ N und APC 7.)
Die charakteristische Impedanz Z0 der koplanaren Übertragungsleitung
der 1 wird auf eine
bekannte Weise durch die Dielektrizitätskonstante des KQ-Materials
und die Abmessungen der Übertragungsleitungsstruktur
bestimmt. Somit kann die koplanare Übertragungsleitung der 1 hergestellt sein, um eine
bestimmte charakteristische Impedanz, beispielsweise 50Ω oder vielleicht
75Ω, je
nach Wunsch, aufzuweisen. Man wird erkennen, daß die Widerstände 7 und 8 jeweils
einen Widerstand des doppelten Werts von Z0 aufweisen.
Andererseits kann es der Fall sein, daß kein bestimmter oder konstanter
Wert einer charakteristischen Impedanz erforderlich oder gewünscht ist
und daß das,
was hergestellt wird, einfach abgeschirmte Leiter zum Zweck einer
Beförderung
an einen Ladewiderstand (die parallele Kombination von 7 und 8)
von Vorspannungs- oder Steuersignalen sind.
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Bevor wir fortfahren, ist jedoch
eine kurze Anmerkung bezüglich
der Masseebene 3 angebracht. Als echte Masseebene erbringt
sie die beste Leitung, wenn sie tatsächlich eine breite Lage aus Metall
ist, und genau dies wird in der Figur gezeigt. Andererseits liefern
die Abschnitte einer derartigen Masseebene, die sich nicht unter
der Übertragungsleitung
befinden, der Übertragungsleitung
insofern keinen besonderen Vorteil, als es sich um eine Übertragungsleitung
handelt, die in Isolation betrachtet wird. Die Situation kann komplexer
werden, falls an einer Seite der Übertragungsleitung weitere
Schaltungen angeordnet sind, die erfordern, daß starke HF-Ströme in einer
Masseebene geführt
werden; eine gute Praxis bestünde
darin, derartige Ströme aus
der Abschirmung für
die Übertragungsleitung
herauszuhalten.
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Man wird somit erkennen, daß entweder
der Abschnitt einer gesamten Masseebene, der sich direkt unter der Übertragungsleitung
befindet, oder ein ausreichend breites, mäanderartig verlaufendes Band
aus Massemetall das bildet, was wir als die Masseabschirmung bezeichnet
haben, die den „abgeschirmten" Teil der abgeschirmten,
koplanaren Übertragungsleitung
bildet.
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Nun sei auf 2 Bezug genommen, die eine perspektivische,
weggeschnittene Draufsicht 11 eines distalen Endes einer
abgeschirmten, koplanaren Übertragungsleitung
ist, die auf einem Keramiksubstrat 2 hergestellt und durch
einen einzelnen Z0-Widerstand 13 abgeschlossen
ist, der sich entlang der Richtung des Mittelleiterstreifens 6 und über das Ende
des Mittelleiterstreifens hinaus erstreckt, um ein geerdetes Ende
(12) der Übertragungsleitung
zu erreichen. Die Ansicht 11 der 2 ist der der 1 ziemlich ähnlich, und die meisten Bezugszeichen sind
die gleichen, da sie sich auf Einheiten beziehen, die sich entweder
exakt oder zumindest sehr weitgehend entsprechen. Die Elemente der Übertragungsleitungen
der 1 und 2 werden unter Verwendung derselben
Techniken hergestellt. Der Unterschied besteht darin, daß nur ein
einziger Abschlußwiderstand 13 vorliegt
und daß die
Kontaktfläche 12,
zu der er von dem Mittelleiterstreifen 6 geht, entlang
einer Erweiterung des durch den Mittelleiterstreifen 6 eingeschlagenen
Wegs verläuft.
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Nun sei auf 3 Bezug genommen, die eine perspektivische,
weggeschnittene Draufsicht 14 eines distalen Endes einer
quasikoaxialen Übertragungsleitung
ist, die auf einem Keramiksubstrat 2 hergestellt und durch
ein Paar von R = 2Z0-Widerständen 7 und 8 abgeschlossen
ist, die sich jeweils von dem Mittelleiterstreifen 6 zu
einer anderen geerdeten Seite (9, 10) der Übertragungsleitung
erstrecken. 3 weist
eine eindeutige Ähnlichkeit
mit der 1 auf, und die
Struktur der 1 kann
tatsächlich
genau als Ausgangspunkt zum Herstellen derjenigen der 3 verwendet werden. Insofern,
als es darum geht, daß sie
ein Abschluß für eine Übertragungsleitung
sind, sind sie identisch; der Unterschied besteht in der Übertragungsleitung
selbst. Demnach weisen die Elemente der 3, die solchen in 1 entsprechen, dieselben Bezugszeichen
auf. Lassen Sie uns also annehmen, daß wir die Struktur der 1 als Ausgangspunkt aufweisen
und die zusätzlichen
Schritte, die benötigt
werden, um die in 3 gezeigte
zu erzeugen, beschreiben.
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Diese zusätzlichen Schritte sind folgende: ein
zweites Band
15 aus einem KQ-Dielektrikummaterial wird über die
Oberseite der Übertragungsleitung
aufgebracht, mit Ausnahme der Region der Abschlußwiderstände; und eine Schicht
16 aus
Au wird über
dieses zweite Band
15 aufgebracht, mit der Ausnahme, daß sie an
einer Stelle
18 aufhört,
um zu vermeiden, daß sie
zu nahe an den Mittelleiterstreifen
6 herankommt. Die sich
ergebende Übertragungsleitung,
die sich an die Abschlußwiderstände
7 und
8 annähert, ist
das, was wir im zweiten Absatz der Beschreibung als quasikoaxiale Übertragungsleitung bezeichneten.
Man beachte, daß sie
vollständig
abgeschirmt ist und daß sie
auf etwas andere Art und Weise hergestellt wurde, als in der in
dieses Dokument aufgenommenen
US-6,255,730 beschrieben ist.
(In jener Patentschrift wird das Basisband aus KQ auf die Masseebene
gelegt, ein Mittelleiter wird auf demselben gebildet, und anschließend wird
ein weiteres Band aus KQ auf all dieses gelegt, wonach eine Schicht
aus Metall über
beide Bänder
aus KQ aufgebracht wird.)
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Nun sei auf 4 verwiesen, die eine perspektivische,
weggeschnittene Draufsicht 17 eines distalen Endes einer
quasikoaxialen Übertragungsleitung
ist, die auf einem Keramiksubstrat 2 hergestellt und durch
einen einzelnen Z0-Widerstand 13 abgeschlossen
ist, der sich entlang der Rich tung des Mittelleiterstreifens 6 und über das
Ende des Mittelleiterstreifens hinaus erstreckt, um ein geerdetes Ende 12 der Übertragungsleitung
zu erreichen. 4 ist
wie 2, jedoch mit der
quasikoaxialen Übertragungsleitung
der 3. Was die 1 und 3 betrifft, weisen entsprechende Elemente
in beiden 2 und 4 identische Bezugszeichen
auf.