DE112009000842T5

DE112009000842T5 - Verbessertes Relais der Form C und Baustein unter Verwendung desselben

Info

Publication number: DE112009000842T5
Application number: DE112009000842T
Authority: DE
Inventors: Travis S. Portland Ellis; Mark E. Titterington; Stephen Day; Paul Dana Vernonia Wohlfarth
Original assignee: COTO Tech Inc
Current assignee: Coto Technology Inc North Kingstown Us; Coto Technology Inc Us
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2011-05-19
Also published as: JP2011520219A; US8063725B2; GB201012239D0; US20090256662A1; WO2009137239A2; CN101971280A; KR20100101688A; WO2009137239A3; GB2468821A

Abstract

Reed-Relais-Vorrichtung mit:
einem Trägersubstrat mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite;
einem ersten Reed-Schalter mit einem Hauptkörper mit einem Signaleingang und einem Signalausgang;
einem zweiten Reed-Schalter mit einem Hauptkörper mit einem Signaleingang und einem Signalausgang;
einer ersten Masseabschirmung, die den Hauptkörper des ersten Reed-Schalters umgibt;
einer zweiten Masseabschirmung, die den Hauptkörper des zweiten Reed-Schalters umgibt;
einer Vielzahl von Masseanschlüssen auf der ersten Seite des Trägersubstrats, die mit der ersten Masseabschirmung verbunden sind;
einer Vielzahl von Masseanschlüssen auf der ersten Seite des Trägersubstrats, die mit der zweiten Masseabschirmung verbunden sind;
einem ersten Signalkontaktloch, das durch das Substrat geleitet ist und mit dem Signalausgang des ersten Reed-Schalters verbunden ist;
einem zweiten Signalkontaktloch, das durch das Substrat geleitet ist und mit dem Signalausgang des zweiten Reed-Schalters verbunden ist;
einer ersten Vielzahl von Massekontaktlöchern, die durch das Substrat geleitet sind und mit der...

Description

RÜCKVERWEISUNG AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung bezieht sich auf und beansprucht die Priorität von der früher eingereichten vorläufigen Patentanmeldung Seriennr. 61/045 174, eingereicht am 15. April 2008, deren gesamter Inhalt durch den Hinweis hierin aufgenommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Schaltvorrichtungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Einkapselungs- und Schaltungsintegration für elektromagnetische Vorrichtungen, wie z. B. Reed-Schalter und elektromagnetische Vorrichtungen wie z. B. Reed-Relais.
Elektromagnetische Relais waren in der Elektronikindustrie für viele Jahre bekannt. Solche elektromagnetischen Relais umfassen das Reed-Relais, das einen Reed-Schalter beinhaltet. Ein Reed-Schalter ist typischerweise eine magnetisch aktivierte Vorrichtung, die typischerweise zwei flache Kontaktzungen umfasst, die in einer hermetisch abgedichteten Glasröhre vereinigt sind, die mit einem Schutzinertgas oder Vakuum gefüllt ist. Der Schalter wird durch ein extern erzeugtes Magnetfeld entweder von einer Spule oder von einem Permanentmagneten betätigt. Wenn das externe Magnetfeld aktiviert wird, ziehen sich die überlappenden Kontaktzungenenden gegenseitig an und kommen schließlich in Kontakt, um den Schalter zu schließen. Wenn das Magnetfeld entfernt wird, entmagnetisieren sich die Kontaktzungen und federn zurück, um in ihre Ruhepositionen zurückzukehren, wobei somit der Schalter geöffnet wird. Es ist auch möglich, dass der Schalter keine Glashülle aufweist und nicht durch eine Magnetkraft betätigt wird. Die Hülle kann beispielsweise aus anderen Materialien wie z. B. Kupfer bestehen und kann durch andere Kräfte wie z. B. Zentripetal-, Zentrifugal- und Beschleunigungskräfte betätigt werden.
Reed-Schalter, die durch eine Magnetspule betätigt werden, sind typischerweise innerhalb eines Spulenkörpers oder eines spulenartigen Elements aufgenommen. Eine Drahtspule ist um die Außenseite des Spulenkörpers gewickelt und mit einer Quelle für elektrischen Strom verbunden. Der durch die Spule fließende Strom erzeugt das gewünschte Magnetfeld, um den Reed-Schalter innerhalb des Spulenkörpergehäuses zu betätigen.
1–3 zeigen weitere Details der Konfiguration einer solchen vorstehend erörterten Reed-Schalter-Vorrichtung des Standes der Technik. Wenn man sich zuerst 1 zuwendet, ist eine perspektivische Ansicht einer Reed-Schalter-Konfiguration 10 des Standes der Technik gezeigt. Ein bekannter Reed-Schalter 11 umfasst vorzugsweise eine Glashülle 12 sowie zwei Signalzuleitungen 14, die von entgegengesetzten Enden des Reed-Schalters 11 ausgehen, und Spulenanschlusszuleitungen 15. Die Signalzuleitungen sind mit einem Paar von Metallkontakten 13 verbunden. Es sollte beachtet werden, dass andere Hüllen wie z. B. Metall in einem Schalter verwendet werden können, der durch andere Kräfte, wie z. B. Zentripetal-, Zentrifugal- und andere Beschleunigungskräfte betätigt wird. Die Konstruktion eines Reed-Schalters 11 ist auf dem Fachgebiet so gut bekannt, dass dessen Details nicht erörtert werden müssen. Ein Abschirmungsleiter 16, der üblicherweise aus Messing oder Kupfer besteht, ist in Form einer zylindrischen Hülse vorgesehen, die den Reed-Schalter 11 aufnimmt und unterbringt. Der Reed-Schalter 11 und die Abschirmung 16 sind innerhalb der zentralen Bohrung 18 eines Spulenkörpers oder einer Spule 20 aufgenommen. Um den Spulenkörper 20 ist ein leitender Draht 22 gewickelt. Folglich ist eine koaxiale Anordnung gebildet, um die Vorrichtung des Reed-Schalters 11 zu schützen und die Impedanz der Umgebung zu steuern und die Gesamtübertragung des Signals zu verbessern. Der Reed-Schalter 11, der Abschirmungsleiter 16 und der Spulenkörper 20 sind im Allgemeinen als in der Konfiguration zylindrisch gezeigt. Es sollte selbstverständlich sein, dass verschiedene andere Konfigurationen wie z. B. jene mit ovalem Querschnitt verwendet werden können und immer noch innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen.
Wie im Stand der Technik verständlich und bekannt sein kann, sind die freien Enden der Drahtspule 22, der Abschirmung 16 und der Signalanschlüsse 14 des Reed-Schalters 11 mit einer Schaltung elektrisch verbunden, wie erwünscht. Die jeweiligen Komponenten der Konfiguration des Reed-Schalters 11 sind mit einer Schaltung durch einen Leiterrahmen oder eine andere elektrische Verbindung (nicht dargestellt) verbunden. Der Leiterrahmen oder die andere elektrische Verbindung führt eine Diskontinuität der gewünschten koaxialen Umgebung ein.
Wie vorstehend beschrieben, muss die gesamte Reed-Schalter-Vorrichtung 10 so konstruiert sein, dass sie leicht innerhalb einer Schaltung eines Benutzers aufgenommen wird. Eine Schaltung, die zum Betrieb bei hoher Frequenz verwendet wird, ist beispielsweise mit einer definierten Umgebung einer charakteristischen Impedanz konstruiert. Das Ziel der Konstruktion und Herstellung einer Reed-Vorrichtung 10 mit den Spezifikationen eines Schaltungskunden besteht darin, die gewünschte Impedanz der Vorrichtung 10 an die Schaltungsumgebung so eng wie möglich anzupassen. Es ist bevorzugt, dass keine Impedanzdiskontinuität von der Reed-Vorrichtung 10 selbst zu einer Leiterplatten-Leiterbahn der Schaltung besteht, die die Vorrichtung 10 aufnimmt. Die charakteristische Impedanz Z₁ ist im Allgemeinen eine Funktion des Außendurchmessers des Signalleiters 14, des Innendurchmessers der Abschirmung 16 und der Dielektrizitätskonstante der Isolierung (nicht dargestellt) zwischen dem Signalleiter 14 und der Abschirmung 16.
Eine weitere Modifikation des Reed-Schalter-Bausteins von 1 ist in 2–3 gezeigt. Eine Reed-Schalter-Vorrichtung 103 wird so bereitgestellt, dass sie einen äußeren Spulenkörper 102 mit einer um ihn gewickelten Spule 109 zum Einführen des erforderlichen Magnetfeldes zum Betätigen des Reed-Schalters 111 umfasst. Enden des Drahts 109 können mit Pfosten, Stiften oder dergleichen (nicht dargestellt) verbunden sein, die mit dem Spulenkörper 102 verbunden sind, um eine elektrische Verbindung des Magnetfeldstroms bereitzustellen. Vom Reed-Schalter 111 gehen zwei Signalzuleitungen 106 aus, die entgegengesetzten Seiten des Reed-Schalters 111 entsprechen. Vom Spulenkörper 102 gehen auch ein Paar von Abschirmungs- oder Massestreifen 108 auf jeder Seite des Spulenkörpers 102 aus, die, wie in 6 gezeigt, mit den Enden der inneren Abschirmungshülse 110 elektrisch verbunden sind. Wie in 3, einer perspektivische Ansicht des Reed-Schalters 111 von 2 in auseinandergezogener Anordnung, gezeigt, sind diese Massestreifen 108 Verlängerungen von der Abschirmungshülse 110 selbst auf entgegengesetzten Seiten derselben.
Insbesondere umfasst der Reed-Schalter 111 einen Signalleiter 106 innerhalb einer Glaskapsel 126 mit einem Inertgas oder Vakuum 128, das ihn umgibt. Um die Glaskapsel 126 ist eine Masseabschirmung 130 angeordnet, die vorzugsweise eine zylindrische oder röhrenförmige Konfiguration aufweist, kann jedoch einen ovalen Querschnitt aufweisen, um bestimmte Reed-Schalter 111 oder mehrere Reed-Schalter in einer Umgebung mit mehreren Kanälen aufzunehmen. Die vorangehende Anordnung ist innerhalb des Spulenkörpers 102 aufgenommen, der eine Erregungsspule 109 umfasst.
Einige Anwendungen von Reed-Vorrichtungen erfordern, dass der Schalter Signale mit Frequenzen oberhalb 500 MHz überträgt. Es besteht jedoch ein anhaltender Bedarf an Reed-Relais zum Übertragen von immer höheren Frequenzen ohne signifikante Dämpfung der übertragenen Signalleistung. Derzeitige Reed-Relais können bis zum Bereich von 8–10 GHz arbeiten.
Es besteht jedoch noch ein weiterer Bedarf, diese Betriebsbandbreitenbereiche auf 18 GHz und möglicherweise noch höher zu steigern. Im Allgemeinen besteht ein Bedarf, dass ein Reed-Relais eine sehr hohe HF-Leistung aufweist, wobei der HF-Pfad optimiert ist, um Impedanzdiskontinuitäten über den ganzen Signalpfad zu minimieren und die Stichleitungskapazität zu verringern.
Im Stand der Technik ist es üblich, dass individuelle Reed-Schalter verwendet werden, um verschiedene Arten von Schaltfunktionen zu bilden, so dass sie in eine Schaltung wie z. B. eine Leiterplatte für eine automatisierte Testausrüstung (ATE) eingebaut werden können. Wie in 4 kann beispielsweise ein Reed-Schalter als Ausschaltvorrichtung 50 mit einem einzelnen Pol 52 verwendet werden. Dies ist als Konfiguration der ”Form A” bekannt. Eine Schaltumgebung der Form C ist auch möglich, wie in 5 gezeigt, wobei ein einzelner Schalter 54 zu zwei verschiedenen Polen 56, 58 umschalten kann. Es kann verständlich sein, dass ein solches mehrpoliges Umschalten Komplexität zur Vorrichtung mit höheren Kosten hinzufügt. Um dies anzugehen, werden im Stand der Technik üblicherweise Konfigurationen der ”Pseudo”-Form C verwendet, um das Schalten zu vereinfachen und die Verwendung von individuellen Reed-Schalter-Vorrichtungen zu ermöglichen, die leicht mit relativ niedrigen Kosten erhältlich sind. Eine solche Schaltkonfiguration der ”Pseudo”-Form C ist in der in 6 zu sehenden Schaltanordnung 60 gezeigt. Zwei Schalter 62, 64 der Form A werden mit einer Brücke 66 verwendet, um diese Konfiguration zu erreichen. Wie verständlich sein kann, kann mit der geeigneten Verbindung, die aus den Zuleitungen der Schalter und Leiterbahnen auf einer Leiterplatte besteht, die geeignete Schaltfähigkeit in eine Schaltung auf einer Leiterplatte wie z. B. in einer automatisierten Testausrüstung (ATE) integriert werden.
Wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, führt jedoch dies zu einer langen, ungeschützten und angreifbaren Verbindung zwischen den Anschlüssen der Reed-Schalter und der Leiterplatte, die üblicherweise ”Stichleitungsverbindung” genannt wird. Infolge dieser langen, ungeschützten Stichleitungsverbindung ist eine signifikante parasitäre Kapazität C zur Masse vorhanden. Diese wird ”Stichleitungskapazität” genannt und wirkt zum Belasten des Hochfrequenzpfades, was folglich die Frequenz der Schaltung auf einen Wert im Bereich von beispielsweise etwa 5,0 GHz begrenzt. Um sehr schnelle Prüflinge (DUT) korrekt zu testen, wie z. B. Mikroprozessoren mit hoher Geschwindigkeit, muss jedoch die Frequenz der Testschaltung den Bereich von 7 GHz und noch höher, wie z. B. 18 GHz und darüber, erreichen. Leider umfassen Reed-Schalter-Vorrichtungskonfigurationen des Standes der Technik eine Stichleitungsverbindung auf der Leiterplatte, die die Vorrichtung im Wesentlichen unfähig macht, Vorrichtungen mit hoher Geschwindigkeit zu testen.
Die vorangehenden Mängel im Stand der Technik können nach dem Betrachten einer tatsächlichen Schaltung, in die eine solche Anordnung von Reed-Schaltern der Form C oder ”Pseudo”-Form C integriert ist, leicht verstanden werden. 7 und 8 stellen eine solche Beispielschaltungsumgebung dar. Die Schaltung 300 ist eine, die üblicherweise in einer ATE (automatisierten Testausrüstung) für den Zweck des Testens von Schaltungsvorrichtungen, die im Allgemeinen als 313 bezeichnet sind, und dergleichen verwendet wird. Diese Schaltung 300 legt eine Vorrichtung mit drei Anschlüssen dar, die in Abhängigkeit von der Anwendung in Reihe, Ende an Ende ”stapelbar” sein kann. Eine Vorrichtung 306 mit drei Anschlüssen mit einem ersten Reed-Schalter 302 und einem zweiten Reed-Schalter 304 ist in 7 gezeigt, wie im Allgemeinen mit den gestrichelten Linien angegeben. Die erste Reed-Schalter-Vorrichtung 302 stellt beispielsweise eine Verbindung für ein Wechselspannungssignal mit hoher Frequenz bereit, während der zweite Reed-Schalter 304 eine Verbindung für ein Gleichspannungssignal oder ein Wechselspannungssignal mit niedriger Frequenz bereitstellt.
Insbesondere ist ein Signalgenerator 308 mit dem ersten Anschluss 310 des ersten Reed-Schalters 302 verbunden. Ein zweiter Reed-Schalter 304 ist mit einem ersten Anschluss 312 und einem zweiten Anschluss 314 versehen. Ein zweiter Anschluss 316 des ersten Reed-Schalters 302 ist mit dem zweiten Anschluss 314 des zweiten Reed-Schalters 304 am Knoten 318 verbunden. Dieser Knoten 318 wird zum Ausgangsanschluss 326 zur Vorrichtung 306. Ein zweites Paar von Reed-Schaltern 320, 322 wird verwendet, um den Reiz vom Prüfling (DUT) 313 zu empfangen. Ein Empfänger 317 empfängt das Ausgangssignal vom zweiten Paar von Reed-Schaltern 320, 322. Die serielle Art des Paars von Schaltern ermöglicht, dass eine Schaltung mit einer Anzahl von verschiedenen Testoperationen für eine unterschiedliche Anzahl von DUTs konstruiert wird, die unabhängig auswählbar und isolierbar sind. 8 stellt ein figürliches Diagramm von einem des Paars von Reed-Relais dar, die den Schaltplan von 7 ausführen.
Um diese Schaltung auszuführen, sind zwei individuelle Reed-Schalter mit einer Leiterplatte (nicht dargestellt) mit der geeigneten Verbindung 324 verbunden, die aus den Zuleitungen der Schalter und der Leiterbahn auf der Leiterplatte dazwischen besteht. Dies führt zu einer langen, ungeschützten und angreifbaren Verbindung zwischen den Anschlüssen der Reed-Schalter und der Leiterplatte, die üblicherweise ”Stichleitungsverbindung” genannt wird. Infolge dieser langen, ungeschützten Stichleitungsverbindung 324 ist eine signifikante parasitäre Kapazität C zur Masse vorhanden. Diese wird ”Stichleitungskapazität” genannt und wirkt zur Belastung des Hochfrequenzpfades, was folglich die Frequenz der Schaltung auf einen Wert im Bereich von beispielsweise etwa 5,0 GHz begrenzt. Um sehr schnelle Prüflinge (DUT) wie z. B. Mikroprozessoren mit hoher Geschwindigkeit korrekt zu testen, muss jedoch die Frequenz der Testschaltung den Bereich von 7 GHz und höher, wie z. B. 18 GHz, in der Zukunft erreichen. Mit einer Montage der Reed-Schalter 302, 304 des Standes der Technik und der Stichleitungsverbindung 324 auf der Leiterplatte ist daher diese Schaltungsanordnung 300 außerstande, Vorrichtungen mit hoher Geschwindigkeit zu testen. Der Schutz dieser Stichleitungsverbindung ist ein Beispiel von vielen verschiedenen Weisen zur Verwendung der vorliegenden Erfindung.
Eine weitere Sorge in der Industrie betrifft den Impedanzabgleich des Schalters mit der Schaltung, in der er installiert wird. Derzeit erhältliche Reed-Vorrichtungen werden von Benutzern in eine gegebene Schaltungsumgebung eingebaut. Für die Anwendung bei höheren Frequenzen, wie z. B. im Bereich von 18 GHz und höher, wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, ist ein Reed-Schalter idealerweise so konfiguriert, dass er den gewünschten Impedanzanforderungen der Schaltung so eng wie möglich entspricht, wie z. B. 50 Ohm, in der er installiert ist.
Um diese Impedanzabgleichbedürfnisse anzugehen, ist innerhalb einer Schaltungsumgebung eine koaxiale Anordnung in der ganzen Umgebung bevorzugt, um die Schaltungsintegrität und die gewünschte abgeglichene Impedanz aufrechtzuerhalten. Wie vorstehend angegeben, umfasst der Körper eines Reed-Schalters die erforderliche koaxiale Umgebung. Außerdem umfasst die Signalleiterbahn auf der Leiterplatte des Benutzers üblicherweise einen ”geerdeten koplanaren Wellenleiter”, wobei zwei Massezuleitungen sich auf entgegengesetzten Seiten der Signalzuleitung und in derselben Ebene befinden, oder einen ”Streifenleiter”, wobei sich eine Masseebene unter der Ebene des Signalleiters befindet. Diese Techniken schaffen zweckmäßig verwendet eine Übertragungsleitung mit gesteuerter Impedanz, die zum Aufrechterhalten der gewünschten Impedanz für eine korrekte Schaltungsfunktion annehmbar ist.
Dies liegt beispielsweise an der Tatsache, dass der Reed-Schalter selbst physikalisch gepackt und elektrisch mit einer Leiterplatte verbunden werden muss, die eine gegebene Schaltungskonfiguration trägt. Es ist üblich, die Abschirmungs- und Signalanschlüsse an einer Leiterrahmenarchitektur abzuschließen und die ganze Anordnung in einem dielektrischen Material wie Kunststoff für eine leichte Herstellung und Einkapselung einzuschließen. Diese Zuleitungen können in einer L-förmig abgewinkelten oder ”J”-Form für Oberflächenmontagefähigkeit ausgebildet sein. Die Signalzuleitungen oder -anschlüsse treten aus dem Reed-Schalter-Körper und in die Luft aus, um die elektrische Verbindung mit der Leiterplatte herzustellen. Dieser Übergang der Signalzuleitungen vom Kunststoffdielektrikum zur Luft erzeugt eine unerwünschte Diskontinuität der koaxialen Schutzumgebung, die innerhalb des Körpers des Schalters selbst zu finden ist. Eine solche Diskontinuität erzeugt eine Ungenauigkeit und Unsicherheit in der Impedanz der Reed-Schalter-Vorrichtung.
Folglich müssen Schaltungsentwickler dieses Problem durch spezifisches Konstruieren ihrer Schaltungen kompensieren, um sich auf die innewohnenden Probleme einzustellen und diese vorherzusehen, die mit der Diskontinuität der koaxialen Schutzumgebung und der Verschlechterung der Nennimpedanz der Reed-Schalter-Vorrichtung verbunden sind. Die Schaltung kann beispielsweise abgestimmt werden, um die Diskontinuität zu kompensieren, indem eine parasitäre Induktivität und Kapazität hinzugefügt werden. Dieses Verfahren zur Diskontinuitätskompensation ist nicht bevorzugt, da es den Konstruktionsprozess kompliziert macht und verlangsamt und die Integrität der Schaltung verschlechtern kann. Dies ist bei Schaltungsumgebungen mit sehr hoher Frequenz besonders problematisch, wie z. B. jenen, die mit 18 GHz und höher arbeiten.
Solche Abstimmkompensationsschemen funktionieren jedoch nur über einen relativ schmalen Frequenzbereich. Es besteht ein Bedarf, die Notwendigkeit zur Abstimmung der Schaltung zu verringern, wie vorstehend beschrieben. Der Stand der Technik verwendet eine Struktur von sorgfältig konstruierten Kontaktlöchern, die aufwändig und schwierig herzustellen sind, um die Impedanz des Übergangs vom Relais zur Platte zu steuern.
Angesichts des Vorangehenden besteht ein Bedarf an einer Reed-Schalter-Vorrichtung, die die parasitäre Stichleitungskapazität verringern kann, um Signale mit höherer Frequenz zu erreichen, wie z. B. jene im Bereich von 18 GHz und höher. Es besteht ein weiterer Bedarf, die HF-Leistung in einer solchen Reed-Schalter-Vorrichtungsumgebung zu erhöhen. Es besteht auch ein Bedarf an einer Reed-Schalter-Vorrichtung, die eine Umgebung mit gesteuerter Impedanz durch den ganzen Körper des Bausteins zur Verbindung mit einer Schaltung umfasst. Es besteht ein spezieller Bedarf, dass eine Reed-Schalter-Vorrichtung für die Installation in kleinen Räumen und für eine Leiterplattenstapelung kompakt ist und ein niedriges Profil aufweist. Es besteht ein weiterer Bedarf an Reed-Schalter-Vorrichtungen, die eine Oberflächenmontage-Konfiguration aufweisen, um die hohe Frequenz der Leistung des Systems zu optimieren. Ferner besteht ein Bedarf an einer Reed-Schalter-Vorrichtung, die die Notwendigkeit, eine Schaltung abzustimmen, um eine Umgebung mit ungesteuerter Impedanz zu kompensieren, verringern kann. Es besteht auch ein Bedarf an einer Reed-Schalter-Vorrichtung, die eine kleine Grundfläche aufweist und eine Standardform und -konfiguration für eine vereinfachte Herstellung und Installation aufweist.
Noch ferner besteht ein Bedarf an einer Reed-Schalter-Vorrichtung, die in der Lage ist, viel schneller zu arbeiten als Reed-Schalter-Vorrichtungen des Standes der Technik, wie z. B. im Bereich von 18 GHz und noch höher. Es besteht ein Bedarf an einer Reed-Schalter-Vorrichtung, die für Anwendungen der Form C und Form A geeignet ist. Es besteht ein Bedarf, die Hochfrequenz im GHz-Bereich für einen verbesserten Betrieb der Vorrichtung bei sehr hohen Frequenzen, wie z. B. jenen im Bereich von 18 GHz und höher, auszufiltern. Es besteht ein spezieller Bedarf, den Grad der Dämpfung von Hochfrequenzsignalen zu verringern. Es besteht ein Wunsch, die Vorrichtung an eine gegebene Schaltung anzupassen und mit dieser zu verbinden, wie z. B. eine, die im Bereich von 50 Ohm arbeitet. Es besteht ein Bedarf, den Betrieb der Schaltung, in der die Reed-Schalter-Vorrichtung installiert wird, zu optimieren, um eine koaxiale Umgebung zu simulieren. Es besteht auch ein Bedarf, eine Gleichspannung zum Hochfrequenzsignal hinzufügen zu können. Es besteht noch ein weiterer Bedarf im Stand der Technik, Impedanzdiskontinuitäten durch Ändern der Konfiguration der Abschirmung der Vorrichtung zu minimieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bewahrt die Vorteile von elektromagnetischen Schaltvorrichtungen des Standes der Technik wie z. B. Reed-Relais. Außerdem stellt sie neue Vorteile bereit, die in derzeit erhältlichen Schaltvorrichtungen nicht zu finden sind, und beseitigt viele Nachteile von solchen derzeit erhältlichen Vorrichtungen.
Die Erfindung richtet sich im Allgemeinen auf die neue und einzigartige Reed-Relais-Vorrichtung und den neuen und einzigartigen Reed-Relais-Baustein mit spezieller Anwendung beim effektiven Verbinden einer Reed-Schalter-Vorrichtung mit einer Schaltung auf einer Leiterplatte in einer Konfiguration mit niedrigem Profil. Der Reed-Schalter-Baustein der vorliegenden Erfindung ermöglicht die effiziente und effektive Verbindung mit einer Leiterplatte, während er eine kostengünstige Konstruktion aufweist.
Insbesondere eine neue Relais-Vorrichtung der ”Pseudo”-Form C, die leicht bei Frequenzen gut oberhalb des Bereichs von 8–10 GHz, wie z. B. im Bereich von 18 GHz und darüber, arbeiten kann, um sich auf das Testen der neuesten Vorrichtungen mit hoher Geschwindigkeit unter Verwendung der neuesten ATE einzustellen. Die Stichleitungskapazität wird durch einzigartige Verwendung von Tiefpassfilterbrücken zum Blockieren von hohen Frequenzen im GHz-Bereich signifikant verringert. Dies verringert effektiv die Dämpfung der Hochfrequenzsignale, um dadurch die Auswirkung der Stichleitungskapazität zu verringern. Mit der vorliegenden Erfindung kann die Stichleitungskapazität folglich besser gesteuert und kompensiert werden, um die HF-Leistung zu verbessern. Mit der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, dass eine Gleichspannung zum Hochfrequenzsignal hinzugefügt werden kann.
Der Hochfrequenzpfad wird unter Verwendung der simulierten koaxialen Signalschutzumgebung auch geschützt. Ein auf der Platine montierbarer Reed-Relais-Baustein mit niedrigem Profil wird von der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Ein Teil des Reed-Schalters erstreckt sich durch eine Öffnung im Relaissubstrat. Das Substrat umfasst eine Reihe von elektrischen Kontakten, wie z. B. eine Lötkugelmatrix (BGA), eine Steggittermatrix (LGA), eine Spaltengittermatrix (CGA) oder eine Stiftgittermatrix (PGA), die auf derselben Seite des Substrats montiert sind, an der das Relais montiert ist, um mit der Hauptleiterplatte elektrisch zu verbinden. Der Reed-Schalter oder die Reed-Schalter, wie z. B. in einem Baustein mit zwei Kanälen, sind direkt mit den elektrischen Kontakten über Signalleiterbahnen und zusätzliche elektrische Leiterbahnen, die sich auf der Unterseite des Relaissubstrats befinden, die mit der Abschirmung des Relais verbinden, elektrisch verbunden. Diese zusätzlichen Leiterbahnen sind in einer parallelen Position auf beiden Seiten der Signalleiterbahnen geführt, um einen koplanaren Wellenleiter bereitzustellen, um die gewünschte Impedanz des Signalpfades aufrechtzuerhalten. Die Reed-Relais-Vorrichtung ist vorzugsweise in einem BGA-Gehäuse für eine leichte Montage an einer Leiterplatte in einer automatisierten Testausrüstung (ATE) vorgesehen.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten Reed-Schalter-Baustein mit niedrigem Profil bereitzustellen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reed-Schalter-Vorrichtung bereitzustellen, die eine verbesserte HF-Leistung aufweist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reed-Schalter-Vorrichtung bereitzustellen, die die parasitäre Stichleitungskapazität zwischen Kanälen besser steuert und kompensiert, um die Übertragung einer höheren Frequenzbandbreite von Signalen zu ermöglichen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reed-Schalter-Vorrichtung mit einer gesteuerten Impedanzumgebung über den ganzen Baustein bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Reed-Schalter-Vorrichtung bereitzustellen, die eine pseudokoaxiale Umgebung aufweist, um eine Signalpfadumgebung von 50 Ohm aufrechtzuerhalten.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reed-Schalter-Baustein bereitzustellen, der leicht an die Impedanz einer existierenden Schaltungsumgebung angepasst wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Reed-Schalter-Baustein bereitzustellen, der in der Lage ist, Signale mit sehr hoher Frequenz effizient zu leiten.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reed-Schalter-Baustein mit einer kleinen Grundfläche bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Reed-Schalter-Baustein bereitzustellen, der leicht an einer Hauptleiterplatte, wie z. B. einer, die für eine automatisierte Testausrüstung verwendet wird, an der Oberfläche montiert werden kann.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, Reed-Schalter-Vorrichtungsbausteine bereitzustellen, die in der Lage sind, viel schneller zu arbeiten als Reed-Schalter-Vorrichtungen des Standes der Technik, wie z. B. im Bereich von 18 GHz und noch höher.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Reed-Schalter-Vorrichtungsbaustein bereitzustellen, der für Anwendungen der Form C und Form A geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die hohe Frequenz im GHz-Bereich für einen verbesserten Betrieb der Vorrichtung auszufiltern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Hochfrequenzisolation innerhalb Kanälen im GHz-Bereich für einen verbesserten Betrieb der Vorrichtung bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, den Grad der Dämpfung von Hochfrequenzsignalen in einem Reed-Schalter-Vorrichtungsbaustein zu verringern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Vorrichtung an eine gegebene Schaltung, wie z. B. eine, die im Bereich von 50 Ohm arbeitet, anzupassen und mit dieser zu verbinden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Betrieb der Schaltung, in der der Reed-Schalter-Vorrichtungsbaustein installiert wird, zu optimieren, um eine koaxiale Umgebung zu simulieren.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Gleichspannung zum Hochfrequenzsignal hinzufügen zu können.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Impedanzdiskontinuitäten durch Verändern der Konfiguration der Abschirmung der Vorrichtung zu minimieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die neuen Merkmale, die für die vorliegende Erfindung charakteristisch sind, sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung zusammen mit weiteren Aufgaben und zugehörigen Vorteilen werden jedoch mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen am besten verstanden, in denen gilt:
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Reed-Relais-Konfiguration des Standes der Technik in auseinandergezogener Anordnung;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer zusammengesetzten Reed-Relais-Vorrichtung des Standes der Technik;
3 ist eine perspektivische Ansicht der Reed-Relais-Vorrichtung des Standes der Technik von 2 in auseinandergezogener Anordnung;
4 ist eine schematische Ansicht einer Schalterkonfiguration der Form A;
5 ist eine schematische Ansicht einer Schalterkonfiguration der Form C;
6 ist eine schematische Ansicht einer Schalterkonfiguration der ”Pseudo”-Form C;
7 ist eine schematische Darstellung einer Musterschaltung, die üblicherweise mit Reed-Relais verwendet wird;
8 ist eine bildhafte Implementierung der in 7 gezeigten Schaltung;
9 ist ein Schaltplan zur Verwendung der vorliegenden Erfindung für die Verwendung in einer herkömmlichen unsymmetrischen ATE-Architektur;
10 ist ein Graph, der die Leistung eines Tiefpassfilters darstellt, der im Relais der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
11 ist eine Tabelle, die die Leistungsparameter des Relais der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist ein Graph, der die Bandpasscharakteristiken unter Verwendung beispielsweise eines Reed-Schalters von 7 mm gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 ist ein Schaltplan zur Verwendung der vorliegenden Erfindung für die Verwendung in einer herkömmlichen differentiellen ATE-Architektur mit hoher Bandbreite;
14 ist ein Schaltplan zur Verwendung der vorliegenden Erfindung für die Verwendung in einer modernen differentiellen ATE-Architektur mit hoher Bandbreite mit vereinfachter PMU;
15 ist ein Schaltplan zur Verwendung der vorliegenden Erfindung für die Verwendung in einer modernen differentiellen ATE-Architektur mit hoher Bandbreite mit integrierter PMU ohne Verbindung zwischen den Signalleitungen;
16 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Reed-Schalter-Bausteins, der unter Verwendung des Relais der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
17 zeigt eine perspektivische Ansicht des Reed-Schalter-Bausteins von 16 mit entfernter Abdeckung;
18 zeigt eine perspektivische Ansicht des Reed-Schalter-Bausteins von 16, wobei die äußeren Abschirmungsabdeckungen entfernt sind;
19 zeigt eine perspektivische Ansicht des Reed-Schalter-Bausteins von 16, wobei einer der Spulenkörper entfernt ist;
20 zeigt eine perspektivische Ansicht des Reed-Schalter-Bausteins von 16, wobei die Spulenkörper und die Abschirmung um die Reed-Schalter entfernt sind;
21 zeigt eine perspektivische Ansicht des Reed-Schalter-Bausteins von 16, wobei das Basiselement-Einkapselungsmaterial entfernt ist;
22 zeigt eine perspektivische Ansicht des Reed-Schalter-Bausteins von 16, wobei das Basiselement und ein Reed-Schalter entfernt sind, um eine Kugelgittermatrix darzulegen;
23 zeigt eine perspektivische Ansicht des Reed-Schalter-Bausteins von 16 von unten, um ein Beispiel einer Kugelgittermatrix zur elektrischen Verbindung des Bausteins mit einer Leiterplatte darzustellen;
24 zeigt eine perspektivische Ansicht des Reed-Schalter-Bausteins von 16, wobei die Abdeckung und ein Teil der Basis entfernt sind, um die Profilierung der HF-Abschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung darzustellen;
25 ist eine Draufsicht auf den in 24 gezeigten Reed-Schalter-Baustein; und
26 ist eine linke Seitenaufrissansicht des in 24 gezeigten Reed-Schalter-Bausteins.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Das verbesserte Relais 200 der Form C der vorliegenden Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit 9–26 im Einzelnen gezeigt. Das Relais der vorliegenden Erfindung kann leicht für Schaltungen, wie z. B. die Schaltung 300 in 7, verwendet werden, so dass diese Schaltung leicht mit Frequenzen im Bereich von 18 GHz und darüber arbeiten kann, um sich auf das Testen von Vorrichtungen mit hoher Geschwindigkeit einzustellen. Das Relais 200 der vorliegenden Erfindung kann ermöglichen, dass solche Schaltungen im Bereich von 18 GHz und höher arbeiten, da die HF-Leistung unter Verwendung von Tiefpassfiltern, die im Allgemeinen als 202 bezeichnet sind, stark verbessert ist, während der Hochfrequenzpfad unter Verwendung der simulierten koaxialen Signalschutzumgebung geschützt ist. Ein Gleichspannungssignal bis etwa 18 GHz auf beiden Kanälen in einer Doppelkanalumgebung mit weniger als 3 dB Signalleistungsverlust kann auch in einer Schaltung erreicht werden, die das Relais der vorliegenden Erfindung verwendet. Das Relais 200 der vorliegenden Erfindung ist das erste, das zwei Filterelemente, wie z. B. 202a und 202b, wie in 9 verwendet, um die Stichleitungskapazität zwischen den zwei Hochfrequenzpfaden gegenseitig zu isolieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung verbinden Tiefpassfilter 202a und 202b, vorzugsweise ein Paar davon, die Signalleitungen 204a und 204b von zwei Reed-Schaltern 206a und 206b in einer parallelen Relaisanordnung der ”Pseudo”-Form C, wie in 9 zu sehen. In dieser Figur und in anderen sind die Tiefpassfilter 202a und 202b figürlich als kleine schwarze Kästchen dargestellt, wie z. B. in 9. Diese überbrückenden Tiefpassfilterelemente 202 wandeln effektiv zwei einpolige Ein- und Ausschalter 206a und 206b der Form A in eine Schalterkonfiguration der ”Pseudo”-Form C um, wobei ein Signal geleitet werden kann, sobald es erwünscht ist. Ein gutes Beispiel für diese Konfiguration der ”Pseudo”-Form C ist im Schaltplan von 9 gezeigt, der im Allgemeinen eine herkömmliche unsymmetrische ATE-Architektur darstellt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Tiefpassfilter 202a bzw. 202b für jeden Kanal verwendet, der im Allgemeinen als A und B bezeichnet ist. Die tatsächliche physikalische Konstruktion dieser Anordnung wird nachstehend in Verbindung mit den folgenden 16–26 im Einzelnen erörtert. Wie nachstehend können die geeigneten Leiterplatten-Leiterbahnen leicht verwendet werden, um die Schaltung von 9 zu verwirklichen.
Die Tiefpassfilterelemente 202 erzeugen eine Niederfrequenzbrücke zwischen den zwei Relais 206a und 206b der Form A, um das Relais 200 der ”Pseudo”-Form C zu erzeugen. Dies schafft insofern einen Vorteil, als aufgrund der Nähe der zwei Filterelemente 202a und 202b und der rechtwinkligen Orientierung des Elements 202a und 202b zum Signalpfad die magnetische Kopplung zwischen den benachbarten Kanälen A und B verringert ist, was die gesamte HF-Leistung bei Frequenzen, die größer sind als 10 GHz, verbessert. Ein geeignetes Tiefpassfilterelement 202, das verwendet werden kann, um die vorliegende Erfindung auszuführen, ist vorzugsweise ein Ferritperlenfilter, das zum Dämpfen von Signalen im GHz-Bereich ausgelegt ist.
Ein Beispiel eines solchen bevorzugten Ferritperlenfilters ist die Modellreihe Nr. BLM18G (Größe 0603), die von Murata Manufacturing Co., Ltd. hergestellt und vertrieben wird. Diese Ferritperle hat die folgenden Eigenschaften: 1) eine Impedanz (bei 100 MHz/20°C) von 470 Ohm ± 25%; 2) eine Impedanz (bei 1 GHz/20°C) von 1800 Ohm ± 30%; 3) einen Nennstrom von 200 mA; 4) einen Gleichspannungswiderstand (max.) von 1,30 Ohm; 5) eine Betriebstemperatur von –55°C bis +125°C; und 6) für eine Schaltung. Die Impedanz-Frequenz-Charakteristiken des bevorzugten Tiefpassperlenfilters 202 sind in 10 gezeigt. Es sollte beachtet werden, dass andere Tiefpassfilter 202 verwendet werden können und immer noch innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen.
Immer noch mit Bezug auf 9 werden weitere Details der Verbindung des Relais 200 der ”Pseudo”-Form C mit einer ATE-Umgebung gezeigt. Die Parametermesseinheit (PMU) 208 befestigt an der Verbindung 212 stromabwärts des Kanals A der Vorrichtung. Folglich isoliert das Öffnen des Schalters A die Treibervergleicherlast (DCL) 210, die eine verlustbehaftete Ausgangsstufe aufweist, die die PMU-Messungen verfälschen würde. Folglich stellt das Relais 200 der vorliegenden Erfindung einen Hochfrequenzpfad zwischen der DCL 210 und dem DUT (Prüfling) 214 bereit. 11 zeigt Details von Testergebnissen von einem Prototypen des Relais 200 der Form C, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist und das eine überlegene Leistung gegenüber Schaltungen des Standes der Technik zeigt, die Relais der ”Pseudo”-Form C in dieser Umgebung verwenden. Folglich kann eine Abfallfrequenz von –3 dB im Bereich von 18 GHz, wie z. B. 16 GHz, unter Verwendung des einzigartigen Relais 200 der vorliegenden Erfindung erfolgreich erreicht werden. Derartige Ergebnisse sind ferner im Graphen von 12 dargestellt, wobei ein Reed-Schalter mit 7 mm als Beispiel verwendet wurde. Es sollte selbstverständlich sein, dass verschiedene Arten von Niederbandpassfiltern und Reed-Schaltern gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um die Anforderungen der bevorstehenden Anwendung zu erfüllen. Wie verständlich sein kann, führt das Modifizieren von solchen Filtern und Reed-Schaltern zu verschiedenen Leistungsergebnissen.
Weitere Beispiele dafür, wie das Relais 200 der ”Pseudo”-Form C der vorliegenden Erfindung in einer ATE-Architektur verwendet werden kann, sind in 13–15 gezeigt. In dem Beispiel von 13 ist die Umgebung eine herkömmliche differentielle Architektur, wobei zwei Relais 200a und 200b der (Pseudo-)Form C für jeden differentiellen Kanal verwendet werden, um optimale PMU-Messungen bei 208 bereitzustellen, während Verbindungen mit hoher Bandbreite zwischen dem Treiber und dem DUT 214 über die Verbindung 212' mit einer differentiellen Signalgebung aufrechterhalten werden. In diesem Beispiel wird ein Tiefpassfilter 202a auf nur einem Kanal in jedem Relais 200a und 200b der ”Pseudo”-Form C verwendet. Ein Tiefpassfilter 202a wird beispielsweise auf dem Kanal B am oberen Paar von Reed-Schaltern 216 und auf dem Kanal A am unteren Paar von Reed-Schaltern 218 verwendet.
14 und 15 zeigen Beispiele für die Verwendung des vorliegenden Relais in einer modernen differentiellen ATE-Architektur. 14 zeigt das Beispiel der ATE-Architektur mit einer vereinfachten PMU 220. Diese Architektur unterstützt Signalisierungsstandards mit höherer Frequenz besser. Dies umfasst das Integrieren der PMU-Systeme, die eine verringerte Funktionalität aufweisen, aber immer noch einige der erforderlichen Funktionalität bereitstellen, die eine PMU 208 herkömmlich bereitgestellt hat, wie vorstehend. In dieser Betriebsart stellt das Relais 200 der vorliegenden Erfindung eine Brücke mit niedrigerer Frequenz bereit, im Allgemeinen als 222, die beispielsweise für Kalibrierungszwecke nützlich ist.
Wenn man sich nun 15 zuwendet, ist eine ATE-Architektur mit hoher Bandbreite mit integrierter PMU 220 ohne Verbindung zwischen den zwei Signalleitungen 204a und 204b bereitgestellt. Dies ist eine weitere alternative Umgebung, die das Relais 200 der vorliegenden Erfindung verwenden kann. In diesem Beispiel besteht ein Vorteil, dass die elektrische Leistung maximiert ist und sich die Kanalbandbreite im Frequenzband höher schiebt.
Angesichts des Vorangehenden kann das Relais 200 der vorliegenden Erfindung in viele verschiedene Typen von Architekturumgebungen eingebaut werden, um die vorstehend genannten Verbesserungen gegenüber Relais des Standes der Technik zu nutzen.
Es sollte beachtet werden, dass ein Relais der dualen Form A (nicht dargestellt) auch gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden kann. Diese Konfiguration ist dieselbe wie das obige bevorzugte Ausführungsbeispiel, außer dass die Filterelemente 202, Signalleiterbahnen und zugehörigen Kontaktstellen weggelassen sind.
Das Vorangehende legt schematisch dar, wie die vorliegende Erfindung gegenüber Relais des Standes der Technik neu und neuartig ist. Die vorliegende Erfindung besitzt auch viele Strukturverbesserungen, die nachstehend im Einzelnen umrissen werden.
16–26 zeigen das Relais der vorliegenden Erfindung in eine Reed-Relais-Bausteinvorrichtung eingebaut, die zur Installation auf einer ATE-Leiterplatte (nicht dargestellt) geeignet ist. Im Allgemeinen umfasst der im Allgemeinen als Ganzes als 224 bezeichnete Baustein der vorliegenden Erfindung vorzugsweise zwei Kanäle A und B mit zwei jeweiligen Tiefpassfilterelementen 202a und 202b, wie vorstehend. Es ist jedoch möglich, dass mehr als zwei Kanäle A und B in einem einzelnen Baustein 224 gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein können. In dieser Anordnung werden die geeigneten Lötkugelverbindungen 226, wie in 22 und 23, für jeden Reed-Schalter entsprechend einem gegebenen Kanal verwendet. Ferner können verschiedene Typen von Verbindungen vom Baustein der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es sollte selbstverständlich sein, dass sich der Baustein 226 der vorliegenden Erfindung an eine breite Anordnung von elektronischen Vorrichtungen anpassen kann, die eine Signalzuleitungsabschirmung mit einer gesteuerten Impedanzumgebung erfordern.
Für eine leichte Erörterung wird eine Konstruktion und Konfiguration von einem Kanal nachstehend im Einzelnen erörtert. Es sollte selbstverständlich sein, dass der andere Kanal oder die anderen Kanäle gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich konstruiert sein können.
Ein Baustein 226, der die Relais der vorliegenden Erfindung verwendet, ist in 16–26 gezeigt, die verschiedene Stufen der Entfernung von Komponenten für Zweck der Darstellung und der leichten Erörterung ist. In diesem Beispiel kann der Baustein 226 als Teil der in 9 gezeigten Schaltung 300 mit einem Brückenpaar von Tiefpassfiltern 202a und 202b verwendet werden.
Der vollständige Reed-Schalter-Baustein 226 umfasst eine Substratbasis 228 zusammen mit einer Anzahl von Kontaktstellen 230 zum Aufnehmen der Signalzuleitung 232 und Massezuleitungen 234 vom Reed-Schalter 236. Ein Metall- oder nichtmetallischer Mantel 238 ist an der Substratbasis 228 mit beispielsweise einem Epoxidwulst (nicht dargestellt) um den Umfang befestigt, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung vorzusehen. Die ganze Anordnung 224 kann ansonsten vorzugsweise mit Kunststoff umspritzt sein.
Die Substratbasis 228 umfasst einen vertieften zentralen Teil oder eine Öffnung 240, wie in 18–22, zum Aufnehmen des Spulenkörperteils 242 der Reed-Vorrichtung 246, um einen kurzen, geraden Signalpfad bereitzustellen und die Gesamtgröße des Bausteins 224 zu verringern. Kontaktstellen 230 sind an einem Sitzteil 248 der Substratbasis 228 vorgesehen, um die Signalzuleitungen 232 und Massezuleitungen 234 zu verbinden. Die Reed-Vorrichtung 246 ist relativ leichtgewichtig, so dass sie vollständig von der Signalzuleitung 232 und den Massezuleitungen 234 abgestützt ist. Andere Basissubstratgehäuse können jedoch verwendet werden (nicht dargestellt), wobei der Spulenkörper 242 auf seinem eigenen Sitz aufliegt, oder wobei zusätzliche konturierte Teile des Substrats 228 vorgesehen sind, um die Reed-Vorrichtung 246 abzustützen.
Die Tiefpassfilter 202a und 202b, wie z. B. die vorstehend erwähnten Ferritperlen, sind wie z. B. durch Löten an Kontaktstellen 250 befestigt, die mit den Kontaktstellen 230 verbunden sind, mit denen die Signalzuleitungen 232 elektrisch verbunden sind. Die physikalische Verbindung ist im Allgemeinen in 20–22 gezeigt und am besten in 21 zu sehen.
Die Signalzuleitungen 232 und die Massezuleitungen 234 sind mit Lötkugeln 226 auf der entgegengesetzten Oberfläche der Substratbasis 228 für eine weitere elektrische Verbindung mit einer Schaltung auf einer Leiterplatte (nicht dargestellt), wie z. B. einer, die eine ATE-Schaltungsanordnung trägt, elektrisch verbunden. Dies ist als BGA-Verbindung bekannt. Die Unterseite des Bausteins 224 ist in 23 gezeigt, die eine solche Beispiel-Kugelgittermatrix für eine solche Verbindung mit einer Leiterplatte darstellt. Zusammen mit dem Schutzmantel 238 (oder festen Verkappungsmaterial) wird ein kompakter Reed-Schalter-Baustein 224 bereitgestellt, der eine Oberflächenmontagekonfiguration aufweist, um Hochfrequenz-Reed-Schalter 246 in einer gesteuerten Impedanzumgebung aufzunehmen.
Insbesondere umfasst der Reed-Schalter 246 einen Signalleiter 232 innerhalb einer Glaskapsel 252 mit einem Inertgas oder Vakuum dazwischen. Um die Glaskapsel 252 ist eine Masseabschirmung 254 angeordnet, die vorzugsweise eine zylindrische oder röhrenförmige Konfiguration aufweist, aber einen ovalen Querschnitt aufweisen kann, um bestimmte Reed-Schalter 246 oder mehrere Reed-Schalter in einer Umgebung mit mehreren Kanälen aufzunehmen. Die vorangehende Anordnung ist innerhalb des Spulenkörpers 242 aufgenommen, der eine Erregungsspule 256 darum umfasst. Die freien Enden der Erregungsspule sind mit Pfosten 258 verbunden, die mit entsprechenden Lötkugeln 226 auf der unteren Oberfläche 260 der Substratbasis 228 elektrisch verbunden sind.
Als Teil der vorliegenden Erfindung ist ein koplanarer Wellenleiter in Form von elektrisch leitenden Durchgangskontaktlöchern vorgesehen. Diese sind vorzugsweise vorgesehen, um die Leistung des Relais 200 der vorliegenden Erfindung weiter zu verbessern, wie z. B. in Form des Bausteins 224. Eine solche Konfiguration ist in dem im gemeinsamen Besitz stehenden US-Patent Nrn. 6052045 , 6025768 , RE38381 und 6683518 gezeigt und kann die einzigartigen Brückenfilter 202a und 202b der vorliegenden Erfindung leicht aufnehmen. Hinsichtlich der Durchgangskontaktloch-Konstruktion sind die Kontaktstellen 230, 250 beispielsweise mit entsprechenden Lötkugeln 226 auf der unteren Oberfläche 260 der Substratbasis 228 elektrisch verbunden, was in 22 im Einzelnen zu sehen ist. Folglich ist die Verbindung der Signalzuleitungen 232 und der Massezuleitungen 234 über die Kontaktstellen 230, 250 mit den Lötkugeln 226 gezeigt.
Die Signalzuleitungen 232 und die Massezuleitungen 234 sind mit Lötkugeln 226 auf der unteren Oberfläche 260 der Substratbasis 228 durch elektrisch leitende Kontaktlöcher 262, wie am besten in 22 zu sehen, durch die Ebene der Substratbasis 228 hindurch elektrisch verbunden. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein leitendes Kontaktloch 262 für die Signalzuleitung 232 und jede der Massezuleitungen 234 vorgesehen, um eine wünschenswerte Umgebung von 50 Ohm aufrechtzuerhalten. Vorzugsweise sind drei oder mehr elektrische Leitungen oder Kontaktlöcher, die im Allgemeinen als 262 bezeichnet sind, durch die Ebene der Substratbasis 228 hindurch vorgesehen.
Wie vorstehend angegeben, wird das Signal durch den Reed-Schalter 246 optimiert, wenn die koaxiale Konfiguration so weit wie möglich durch den ganzen Körper des Reed-Schalter-Bausteins 224 aufrechterhalten wird. Der Wellenleiter durch die Ebene der vorliegenden Erfindung verbindet mit Lötkugeln 226 auf der unteren Oberfläche 260 der Substratbasis 228. Jeweilige Durchgangskontaktlöcher 262, die mit einer Leiterbahn 264 in 20 verbunden sind, werden beispielsweise verwendet, um den gewünschten koplanaren Wellenleiter um das Signalkontaktloch 262, das mit der Kontaktstelle 250 verbunden ist, zu erzeugen. Obwohl diese Konfiguration bevorzugt ist, können andere Konfigurationen verwendet werden.
Die Impedanz Z₂ durch die Ebene der Substratbasis 228 ist eine Funktion der Dicke des dielektrischen Materials der Substratbasis 228, der Breite des Signalkontaktlochs 262, des Abstandes zwischen dem mit der Kontaktstelle 250 verbundenen Signalkontaktloch und den benachbarten Massekontaktlöchern 262 und der Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials der Substratbasis 228.
An der unteren Oberfläche 260 der Substratbasis 228 ist eine echte koaxiale Anordnung durch Vorsehen von geeigneten Lötkugeln 226, die mit den Durchgangskontaktlöchern 262 verbunden sind, die mit der Masseleiterbahn 264 verbunden sind, wie vorstehend, gebildet. Diese Erdungsschleife bildet einen tatsächlichen koaxialen Abschirmungsleiter in einer ähnlichen Weise zu jener, die im zylindrischen Abschirmungsleiter 254 um den Reed-Schalter 246 selbst zu finden ist. Die Abschirmung 254 dient nicht ausdrücklich für die EMI-Abschirmung und den Schutz von benachbarten Komponenten, sondern zum Enthalten und Verbessern der Genauigkeit des Signals des Reed-Schalters 246. An der koaxialen Masseschleife ist die Impedanz Z₃ eine Funktion des Durchmessers des Signalkontaktlochs 262, des Durchmessers der Masseschleife und der Dielektrizitätskonstante der Isolationssubstratbasis 228.
Die vorliegende Erfindung verwendet einen Wellenleiter, um eine echte koaxiale Umgebung zu simulieren. Dieser einzigartige Wellenleiter erstreckt sich durch die eigentliche Ebene der Substratbasis 228 zu den Lötkugelverbindungen 226 an der Unterseite des Bausteins 224. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der Wellenleiter oder die simulierte koaxiale Anordnung vom Reed-Schalter 246 selbst bis zu den Lötkugelverbindungen 226 kontinuierlich, wobei ein Mikrostreifen oder Wellenleiter typischerweise auf der Leiterplatte (nicht dargestellt) vorhanden ist. Folglich wird das Signal vor ungesteuerten Diskontinuitäten geschützt. Der Abschirmungsschutz für die Signalzuleitung 232 ist vom tatsächlichen Körper des Reed-Schalters 246 zur tatsächlichen elektrischen Schnittstelle mit der Leiterplatte verlängert und wird gesteuert. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Gesamtimpedanz des Signalübertragungspfades konsistent und an den gewünschten Gesamtimpedanzwert angepasst, wobei folglich der Bedarf an einer beträchtlichen Schaltungsabstimmung durch den Benutzer vermieden wird.
Wie verständlich sein kann, stellt die vorliegende Erfindung entweder eine tatsächliche oder eine simulierte koaxiale Umgebung für einen überlegenen Schutz der Signalzuleitung eines Reed-Schalters bereit. Die leitenden Kontaktlöcher durch die Ebene ermöglichen, dass eine kontinuierliche koaxiale Umgebung vom Reed-Schalter 246 direkt bis zur elektrischen Verbindung mit einer Leiterplatte (nicht dargestellt) bereitgestellt wird. In den meisten Anwendungen ist aufgrund der Frequenz des übertragenen Signals durch den Reed-Schalter 246 eine vollständige kontinuierliche Masseschleife nicht erforderlich, um eine koaxiale Anordnung für den Signalzuleitungsschutz bereitzustellen. In der vorliegenden Erfindung befinden sich die Masseleiterkontaktlöcher vorzugsweise in einem Gitter von 1,27 mm oder 1,00 mm. Übliche Frequenzen für den Reed-Schalter liegen im Bereich von 1,0 bis 8,0 GHz. Bei diesen Frequenzen liegen die Wellenlängen im Bereich von 300 mm bis 40 mm. Die Wellenlängen sind zu lang, um irgendwelche Diskontinuitäten der ”simulierten” koaxialen Anordnung zu erfassen. Daher ist die simulierte koaxiale Anordnung im Wesentlichen hinsichtlich der Wirksamkeit im Vergleich zu einer echten vollen koaxialen Anordnung identisch. Folglich stellt diese Topologie eine effektive Abschirmung bereit, bis die Wellenlänge so klein wird, dass das Leiterkontaktlochgitter als diskontinuierlich angesehen wird.
Für die vorstehend erörterten Gitter kann eine effektive Abschirmung mit der vorliegenden Erfindung bei Wellenlängen, die nicht höher sind als 8 mm, bei einer Frequenz von 18 GHz und größer verwirklicht werden. Mehr oder weniger leitende Kontaktlöcher durch die Ebene der Substratbasis können in Abhängigkeit von der Vorrichtung innerhalb des Bausteins und der bevorstehenden Anwendung verwendet werden.
Obwohl gezeigt ist, dass der Baustein 224 unter Verwendung des Relais 200 der vorliegenden Erfindung Lötkugeln 226 in einem BGA-Gehäuse für die elektrische Verbindung mit einer Leiterplatte verwendet, können andere Arten von Verbindungen verwendet werden, wie z. B. Stiftgitter, Steggitter. Ferner kann eine Kugelgittermatrix-Sockelanordnung verwendet werden, um die Entfernung oder den Austausch des Bausteins zu erleichtern, wenn es erwünscht ist. Der Substratbasiskörper ist vorzugsweise ein dielektrisches Material, wie z. B. Kunststoff, kann jedoch aus einem beliebigen anderen Material hergestellt werden, das für elektronische Vorrichtungsbausteine geeignet ist. Beispielsweise wird ein Hochtemperatur-FR-4-PCB-Material vorzugsweise für das dielektrische Material verwendet. Die Kontaktlöcher 262, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können aus bekannten leitenden Materialien wie z. B. Kupfer, Aluminium, Zinn und anderen bekannten Legierungen in der Industrie bestehen.
Der Reed-Schalter-Baustein 224 gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise vollständig in einem Metall- oder nichtmetallischen Mantel eingeschlossen oder kann für einen zusätzlichen Schutz der Vorrichtung vollständig umspritzt sein. Alternativ kann der Reed-Schalter-Baustein 224 teilweise mit einem Metall- oder nichtmetallischen Mantel eingeschlossen sein, teilweise mit Kunststoff umspritzt sein oder teilweise unter Verwendung von anderen Materialien eingekapselt sein, um eine luftdichte und/oder flüssigkeitsdichte Abdichtung in einer Konfiguration mit niedrigem Profil vorzusehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner die HF-Abschirmung 254, die einen oder mehrere der individuellen Schalter 246 umgibt, profiliert sein, was in 24–26 am besten zu sehen ist. Diese Profilierung wird unter Verwendung einer elektromagnetischen Vollwellen-Modellierungssoftware optimiert, um Differenzen der Kapazität an dem Punkt in der Übertragungsleitung zu kompensieren, an dem die Dichtung des Schalterglases 252 angeordnet ist, wodurch Impedanzdiskontinuitäten in diesen zwei Positionen verringert werden. Insbesondere erzeugt der Bereich nahe der Abdichtung des Glases 252 jedes Schalters einen Bereich mit niedriger Impedanz auf der Übertragungsleitung. Die Form der Abschirmung 254, nämlich die Verwendung von Ausschnitten 266 und dergleichen, erhöht diese Impedanz, so dass sie ungefähr 50 Ohm ist, wodurch sie an die ATE-Schaltungsumgebung angepasst wird.
Es ist leicht zu sehen, dass die Form der HF-Abschirmung 254 eine gewisse Konfiguration aufweist, die vorzugsweise Ausschnitte 266 an jedem entgegengesetzten und einem in Längsrichtung verlaufenden Schlitz 268 aufweist. Folglich kann durch die Kombination der Abstimmung der HF-Abschirmung 254 und des koplanaren Wellenleiters, wie vorstehend, ein konsistenter Signalpfad mit 50 Ohm erreicht werden, um ihn an die ATE-Schaltungsumgebung anzupassen.
Angesichts des Vorangehenden kann ein verbessertes Relais 200 der ”Pseudo”-Form C in einen Baustein 224 eingebaut werden, der mit viel höheren Frequenzen, wie z. B. im Bereich von 18 GHz und darüber, arbeiten kann, um sich an eine moderne ATE-Schaltungsanordnung anzupassen.
Vom Fachmann auf dem Gebiet würde erkannt werden, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen an den dargestellten Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle solchen Modifikationen und Änderungen sollen von den beigefügten Ansprüchen abgedeckt sein.
Zusammenfassung
Der verbesserte Reed-Relais-Baustein (224) stellt ein Relais (200) der ”Pseudo”-Form C bereit, das zwei Relais (206a, 206b) der Form A mit mindestens einem Brückenfilterelement (202) umfasst, das die Signalausgänge (204a, 204b) davon elektrisch miteinander verbindet, um die Stichleitungskapazität zu verringern und die HF-Leistung zu verbessern. Folglich kann der Reed-Relais-Baustein (224) mit sehr hohen Frequenzen, wie z. B. 18 GHz und höher, arbeiten. Kontaktlöcher (262) können auch durch das Trägersubstrat (228) vorgesehen sein, um einen geerdeten koplanaren Wellenleiter zu simulieren, und HF-Abschirmungen (254), die mit Ausschnitten profiliert sind, um eine Impedanzumgebung mit 50 Ohm über den ganzen Pfad der Signalleitung besser zu simulieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6052045 [0092]
US 6025768 [0092]
US 6683518 [0092]

Claims

Reed-Relais-Vorrichtung mit: einem Trägersubstrat mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite; einem ersten Reed-Schalter mit einem Hauptkörper mit einem Signaleingang und einem Signalausgang; einem zweiten Reed-Schalter mit einem Hauptkörper mit einem Signaleingang und einem Signalausgang; einer ersten Masseabschirmung, die den Hauptkörper des ersten Reed-Schalters umgibt; einer zweiten Masseabschirmung, die den Hauptkörper des zweiten Reed-Schalters umgibt; einer Vielzahl von Masseanschlüssen auf der ersten Seite des Trägersubstrats, die mit der ersten Masseabschirmung verbunden sind; einer Vielzahl von Masseanschlüssen auf der ersten Seite des Trägersubstrats, die mit der zweiten Masseabschirmung verbunden sind; einem ersten Signalkontaktloch, das durch das Substrat geleitet ist und mit dem Signalausgang des ersten Reed-Schalters verbunden ist; einem zweiten Signalkontaktloch, das durch das Substrat geleitet ist und mit dem Signalausgang des zweiten Reed-Schalters verbunden ist; einer ersten Vielzahl von Massekontaktlöchern, die durch das Substrat geleitet sind und mit der ersten Masseabschirmung verbunden sind; einer zweiten Vielzahl von Massekontaktlöchern, die durch das Substrat geleitet sind und mit der zweiten Masseabschirmung verbunden sind; einer Vielzahl von Kontakten auf der zweiten Seite des Trägersubstrats, die jeweils mit dem ersten Signalkontaktloch, dem zweiten Signalkontaktloch, der ersten Vielzahl von Massekontaktlöchern und der zweiten Vielzahl von Massekontaktlöchern elektrisch verbunden sind; und mindestens einem Filterelement, das den Signalausgang des ersten Reed-Schalters mit dem Signalausgang des zweiten Reed-Schalters elektrisch überbrückt.
Reed-Vorrichtungs-Baustein nach Anspruch 1, wobei das Trägersubstrat eine Vielzahl von Sitzen zum jeweiligen Aufnehmen des ersten Reed-Schalters und des zweiten Reed-Schalters aufweist.
Reed-Vorrichtungs-Baustein nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Kontakten Lötkugeln sind.
Reed-Vorrichtungs-Baustein nach Anspruch 2, wobei die erste Masseabschirmung und die zweite Masseabschirmung profiliert sind, um Differenzen der Kapazität an dem Punkt in der Übertragungsleitung zu kompensieren, an dem die jeweiligen Glasabdichtungen des ersten Reed-Schalters und des zweiten Reed-Schalters angeordnet sind, um Impedanzdiskontinuitäten an diesen zwei Stellen zu verringern.
Reed-Relais-Vorrichtung mit: einem ersten Reed-Schalter mit einem Signaleingang und einem Signalausgang; einem zweiten Reed-Schalter mit einem Signaleingang und einem Signalausgang; mindestens einem Filterelement, das den Signalausgang des ersten Reed-Schalters mit dem Signalausgang des zweiten Reed-Schalters elektrisch überbrückt; wodurch eine Stichleitungskapazität verringert ist und die HF-Leistung verbessert ist.