DE112016000846T5 - Blockstrukturen mit integrierten Wellenleitern für schnelle Datenübertragungen zwischen Blockkomponenten - Google Patents

Blockstrukturen mit integrierten Wellenleitern für schnelle Datenübertragungen zwischen Blockkomponenten Download PDF

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Jean-Olivier Plouchart
Bing Dang
Duixian Liu
Alberto Valdes-Garcia
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International Business Machines Corp
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    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/03—Conductive materials
    • H05K2201/0332—Structure of the conductor
    • H05K2201/0364—Conductor shape
    • H05K2201/037—Hollow conductors, i.e. conductors partially or completely surrounding a void, e.g. hollow waveguides
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10431—Details of mounted components
    • H05K2201/10507—Involving several components
    • H05K2201/10522—Adjacent components

Abstract

Eine Blockstruktur enthält ein Blocksubstrat (130) mit einem integrierten Wellenleiter und einen ersten und einen zweiten integrierten Schaltkreis (110, 120), die an dem Blocksubstrat (130) angebracht sind. Der erste integrierte Schaltkreis (110) ist mit dem integrierten Wellenleiter (132) unter Verwendung eines ersten Übergangs Übertragungsleitung (116) – zu Wellenleiter verbunden und der zweite integrierte Schaltkreis (120) ist mit dem integrierten Wellenleiter (132) unter Verwendung eines zweiten Übergangs Übertragungsleitung (126) – zu-Wellenleiter verbunden. Der erste und der zweite integrierte Schaltkreis (110, 120) sind so eingerichtet, dass sie durch Übertragen von Signalen unter Verwendung des integrierten Wellenleiters (132) in dem Blockträger Daten austauschen. Die Blockstruktur ermöglicht Datenübertragungen mit hoher Datenrate zwischen Blockkomponenten.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Blockstrukturen (Package-Strukturen) und insbesondere auf Techniken, die Datenübertragungen zwischen Blockkomponenten ermöglichen.
  • Hintergrund
  • Bei der Konstruktion von Mehrchip-Blockstrukturen ist es wichtig, Verbindungsstrukturen zu realisieren, die Datenübertragungen zwischen Blockkomponenten wie integrierten Schaltkreisen (IC-Chips) ermöglichen. Zu herkömmlichen Strukturen zum Übertragen von Signalen zwischen Blockkomponenten gehören z.B. ebene Übertragungsleitungen wie etwa Übertragungsleitungen mit Mikrostrip-, Stripline- und koplanaren Wellenleitern. Zwar sind diese Übertragungsleitungen zum Übertragen von Signalen niedrigerer Frequenz ausreichend, es treten jedoch Signaldämpfung und Frequenzdispersion auf, wenn derartige planare Übertragungsleitungen zum Übertragen von Signalen mit hohen Frequenzen verwendet werden, die bei heutigen Industriestandards gefordert werden. Tatsächlich ist die Fähigkeit zum Realisieren von schnellen Datenübertragungsverbindungen bei Blockstrukturen, die in der Lage sind, Übertragungen bei Datenraten im Bereich von einigen Gbit/s (Gigabit pro Sekunde) bis hin zu Hunderten von Gbit/s auszuführen, für zahlreiche Systemtypen wesentlich, die für einen Betrieb bei Millimeterwellen-Frequenzen bis Terahertz-Frequenzen eingerichtet sind wie beispielsweise Radar-, Bilderzeugungs- und Computerserver-Systeme.
  • Kurzdarstellung
  • Ausführungsformen der Erfindung enthalten Blockstrukturen mit integrierten Wellenleitern, die Übertragungen mit hohen Datenraten zwischen Blockkomponenten ermöglichen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung enthält eine Blockstruktur ein Blocksubstrat mit einem integrierten Wellenleiter und einem ersten und einem zweiten integrierten Schaltkreis, die auf dem Blocksubstrat angebracht sind. Der erste integrierte Schaltkreis ist unter Verwendung eines ersten Übergangs Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter mit dem integrierten Wellenleiter verbunden, und der zweite integrierte Schaltkreis ist unter Verwendung eines zweiten Übergangs Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter mit dem integrierten Wellenleiter verbunden. Der erste und der zweite integrierte Schaltkreis sind für einen Datenaustausch eingerichtet, indem Signale unter Verwendung des integrierten Wellenleiters in dem Blockträger übertragen werden.
  • Eine weitere Ausführungsform enthält einen Halbleiter-Wafer mit einer Bulk-Substratschicht, einer aktiven Siliciumschicht, einer BEOL-(Back-End-of-Line-)Schicht, die auf der aktiven Schicht gebildet ist, einem integrierten Wellenleiter, der wenigstens teilweise in der Bulk-Substratschicht gebildet ist, einen ersten Übergang Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter und einen zweiten Übergang Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter. Eine erste integrierte Schaltung des Halbleiter-Wafer ist mit dem integrierten Wellenleiter über den ersten Übergang Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter verbunden, und eine zweite integrierte Schaltung des Halbleiterwafer ist mit dem integrierten Wellenleiter über den zweiten Übergang Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter verbunden. Die erste und die zweite integrierte Schaltung sind für einen Datenaustausch eingerichtet, indem Signale unter Verwendung des integrierten Wellenleiters übertragen werden.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung enthält einen Wellenleiter mit einer ersten metallischen Platte, einer zweiten metallischen Platte, metallischen Seitenwänden, die die erste und die zweite metallische Platte verbinden, und einen Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter, der in einem Randbereich der ersten metallischen Platte gebildet ist. Der Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter enthält erste und zweite Schlitze, die nebeneinander in dem Randbereich der ersten metallischen Platte ausgebildet sind, wobei erste Längenabschnitte der ersten und zweiten Schlitze parallel von einem Rand der metallischen Platte verlaufen, und wobei zweite Längenabschnitte der ersten und zweiten Schlitze unter divergierenden Winkeln von Enden der entsprechenden ersten Längenabschnitte verlaufen. Ein Abschnitt der ersten metallischen Platte zwischen den ersten und zweiten Schlitzen stellte eine Signalleitungsverbindung mit dem Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter bereit, und Abschnitte der ersten metallischen Platte an gegenüberliegenden Seiten der ersten und der zweiten Schlitze stellen Masseverbindungen mit dem Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter bereit.
  • Diese und weitere Ausführungsformen der Erfindung werden in der nachfolgenden genauen Beschreibung von Ausführungsformen beschrieben oder werden aus dieser offensichtlich, die in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen gelesen werden sollte.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1A ist eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 1B veranschaulicht schematisch eine Seitenwandstruktur der Struktur mit integriertem Wellenleiter von 1A gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 1C ist eine schematische Schnittansicht der Wellenleiterstruktur längs der Linie 1C-1C in 1B.
  • 2 ist eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 3 ist eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 4 ist eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 5 ist eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 6 ist eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 7 ist eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 8 ist eine schematische Draufsicht einer Blockstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der mehrere integrierte Wellenleiter genutzt werden, um Mehrkanal-Datenübertragungen zwischen integrierten Schaltkreisen bereitzustellen.
  • Die 9A und 9B veranschaulichen schematisch einen integrierten Wellenleiter mit einer Übergangsstruktur geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei es sich bei 9A um eine schematische Draufsicht des integrierten Wellenleiters und der Übergangsstruktur geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter handelt und es sich bei 9B um eine schematische Seitenansicht der integrierten Wellenleiterstruktur 900 längs der Linie 9B-9B in 9A handelt.
  • 10 ist eine schematische Draufsicht einer Blockstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der mehrere integrierte Wellenleiter genutzt werden, um eine eingebettete Leistungs-Kombinierer/Teiler-Schaltung zu realisieren.
  • 11 ist eine schematische Draufsicht einer Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Genaue Beschreibung
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun genauer beschrieben in Bezug auf Blockstrukturen mit integrierten Wellenleitern, die so eingerichtet sind, dass sie Datenübertragungen mit hohen Datenraten zwischen Blockkomponenten ermöglichen (z.B. Datenraten im Bereich von einigen Gbit/s bis Hunderten Gbit/s) beispielsweise zur Verwendung in Systemen mit Betriebsfrequenzen im Bereich von Millimeterwellen-Frequenzen bis Terahertz-Frequenzen und darüber hinaus. Es sollte klar sein, dass die zahlreichen Schichten und/oder Komponenten, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind, nicht maßstabsgerecht sind, und eine oder mehrere Schichten und/oder Komponenten eines Typs, der üblicherweise beim Aufbau von Halbleiter-Blockstrukturen mit integrierten Schaltkreisen verwendet wird, möglicherweise in einer angegebenen Zeichnung nicht gezeigt sind. Das bedeutet nicht, dass die Schichten und/oder Komponenten, die nicht explizit gezeigt sind, bei den tatsächlichen Blockstrukturen weggelassen wurden. Darüber hinaus werden die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen in sämtlichen Zeichnungen verwendet, um gleiche oder ähnliche Merkmale, Elemente oder Strukturen anzugeben, und daher wird eine genaue Erklärung für dieselben oder ähnliche Merkmale, Elemente oder Strukturen nicht für jede der Zeichnungen wiederholt.
  • 1A veranschaulicht schematisch eine Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei 1A handelt es sich insbesondere um eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur 100, die einen ersten integrierten Schaltkreis 110, einen zweiten integrierten Schaltkreis 120, ein Wellenleitersubstrat 130 und eine Anwendungsplatine 140 aufweist. Der erste integrierte Schaltkreis 110 weist eine Bulk-Substratschicht 111, eine isolierende Schicht 112, eine aktive Schicht 113 und eine BEOL-(Back-End-of-Line-)Struktur 114 auf. Der zweite integrierte Schaltkreis 120 weist in ähnlicher Weise eine Bulk-Substratschicht 121, eine isolierende Schicht 122, eine aktive Schicht 123 und eine BEOL-Struktur 124 auf. Bei einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem ersten und dem zweiten integrierten Schaltkreis um SOI-(Silicium-auf-Isolator-)Strukturen, wobei es sich bei den isolierenden Schichten 112 und 122 um eingebettete Oxidschichten handelt, die auf Bulk-Siliciumsubstraten gebildet sind, und wobei es sich bei den aktiven Schichten 113 und 123 um dünne Schichten aus Silicium handelt, die auf den eingebetteten Oxidschichten gebildet sind, wobei die aktiven Einheiten in den aktiven Siliciumschichten 113 und 123 gebildet sind.
  • Insbesondere der erste und der zweite integrierte Schaltkreis 110 und 120 weisen aktive Schaltungseinrichtungen und elektronische Komponenten auf, die in den entsprechenden aktiven Siliciumschichten 113 und 123 gebildet sind, wobei die Typen der implementierten Schaltungen und elektronischen Komponenten von der vorgegebenen Anwendung abhängen. Beispielsweise sind für HF-(Hochfrequenz-)Anwendungen Schaltungseinrichtungen mit integrierten HF-Schaltkreisen und elektronische Komponenten in den aktiven Siliciumschichten 113 und 123 gebildet, darunter z.B. Empfänger, Sender oder Sender-Empfänger-Schaltungen und weitere aktive oder passive Schaltungselemente, die üblicherweise zum Implementieren von integrierten HF-Schaltkreisen verwendet werden.
  • Die BEOL-Strukturen 114 und 124 des jeweiligen integrierten Schaltkreises 110 und 120 weisen entsprechende Übertragungsleitungen 116 und 126 und weitere Verbindungsstrukturen 118 und 128 auf, die eine Reihe von miteinander verbundenen metallischen Leiterbahnen und leitfähigen Durchkontaktierungen aufweisen, die in zahlreichen sich abwechselnden leitenden und isolierenden/dielektrischen Schichten der BEOL-Strukturen 114 und 124 gebildet sind. Die BEOL-Strukturen 114 und 124 des jeweiligen ersten und zweiten integrierten Schaltkreises stellen ein Netzwerk von Verbindungen bereit zum Verbinden der aktiven Schaltungseinrichtungen und weiterer Komponenten, die in den entsprechenden aktiven Schichten 113 und 123 gebildet sind. Des Weiteren weisen die BEOL-Strukturen 114 und 124 jeweils eine Mehrzahl von Bonding/Kontakt-Pads wie beispielsweise Masse-Pads, Gleichstromversorgungs-Pads, Eingabe/Ausgabe-Pads, Steuersignal-Pads, zugehörige Verdrahtungen usw. auf, die als Teil einer BEOL-Verdrahtungsstruktur des entsprechenden integrierten Schaltkreises 110 und 120 gebildet sind.
  • Wie in 1A gezeigt sind der erste und der zweite integrierte Schaltkreis 110 und 120 mit dem Wellenleitersubstrat 130 elektrisch und mechanisch verbunden durch Flip-Chip-Montage der aktiven (Vorderseiten-)Oberfläche des ersten und des zweiten integrierten Schaltkreises 110 und 120 an einer ersten Oberfläche 130-1 des Wellenleitersubstrats 130, beispielsweise in C4-Montagetechnik (Controlled Collapse Chip Connection) 150, unter Verwendung eines Array von Lötmittelkugeln oder durch andere ähnliche Techniken. Die C4-Verbindungen 150 werden zwischen Bonding/Kontakt-Pads und Verdrahtungsstrukturen, die auf einer unteren Oberfläche der BEOL-Strukturen 114 und 124 gebildet sind, und entsprechenden Bonding/Kontakt-Pads und Verdrahtungsstrukturen einer strukturierten Metallisierungsschicht gebildet, die an der ersten Oberfläche 130-1 des Wellenleitersubstrats 130 gebildet ist.
  • Darüber hinaus ist das Wellenleitersubstrat 130 mit der Anwendungsplatine 140 elektrisch und mechanisch verbunden, beispielsweise unter Verwendung eines Array von BGA-Verbindungen 160 oder anderen ähnlichen Techniken. Die BGA-Verbindungen 160 sind zwischen Bonding/Kontakt-Pads und Verdrahtungsstrukturen einer strukturierten Metallisierungsschicht, die an einer zweiten Oberfläche 130-2 des Wellenleitersubstrats 130 gebildet ist, und entsprechenden Bonding/Kontakt-Pads und Verdrahtungsstrukturen einer strukturierten Metallisierungsschicht gebildet, die an einer Oberfläche 140-1 der Anwendungsplatine 140 gebildet ist.
  • Wie weiter in 1A gezeigt weist das Wellenleitersubstrat 130 einen integrierten Wellenleiter 132 auf. Der integrierte Wellenleiter 132 weist eine erste metallische Platte 132-1, eine zweite metallische Platte 132-2 und Seitenwände 132-3 auf. Die erste und die zweite metallische Platte 132-1 und 132-2 werden von Metallisierungsschichten an gegenüberliegenden Oberflächen 130-1 und 130-2 des Wellenleitersubstrats 130 strukturiert, und die Seitenwände 132-3 weisen ein Array von metallischen Kontaktstellen auf (z.B. metallisierte Durchkontaktierungslöcher), die die erste und die zweite metallische Platte 132-1 und 132-2 verbinden.
  • 1B veranschaulicht schematisch eine Seitenwandstruktur des integrierten Wellenleiters 132 von 1A gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Insbesondere veranschaulicht 1B eine Seitenwandstruktur längs eines Abschnitts L des integrierten Wellenleiters 132 (der Abschnitt L entspricht einer Richtung der Wellenausbreitung in dem integrierten Wellenleiter), wobei die Seitenwandstruktur eine Reihe von metallischen Kontaktstellen 132-3 aufweist, die mit einem Abstand S zwischen den metallischen Kontaktstellen 132-3 gebildet sind. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die metallischen Kontaktstellen 132-3 durch Bohren oder Ätzen eines Array von Durchkontaktierungslöchern durch das Wellenleitersubstrat 130 und anschließendes Plattieren oder durch Füllen der Durchkontaktierungslöcher mit einem metallischen Werkstoff wie beispielsweise Kupfer gebildet.
  • In 1A weist die Blockstruktur 100 ferner einen ersten Übergang Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 134 und einen zweiten Übergang Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 136 auf. Der erste Übergang Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 134 ist mit der Übertragungsleitung 116 in der BEOL-Struktur 114 des ersten integrierten Schaltkreises 110 verbunden, und der zweite Übergang Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 136 ist mit der Übertragungsleitung 126 in der BEOL-Struktur 214 des zweiten integrierten Schaltkreises 120 verbunden. Die Übergänge Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 134 und 136 sind teilweise durch Übergangsstrukturen gebildet, die in der ersten metallischen Platte 132-1 des integrierten Wellenleiters 132 ausgebildet/strukturiert sind.
  • Die Übertragungsleitungen 116 und 126 sind aus einer Reihe von miteinander verbundenen Verdrahtungsleiterbahnen und leitenden Durchkontaktierungen gebildet, die in den BEOL-Schichten 114 und 124 ausgebildet sind. Die Übertragungsleitungen 116 und 126 dienen zum Übertragen von Hochfrequenzsignalen zwischen dem integrierten Wellenleiter 132 und der aktiven Schaltungsanordnung in den aktiven Schichten 113 und 123 des ersten und des zweiten integrierten Schaltkreises 110 und 120. Bei Hochfrequenz-Anwendungen können seitlich verlaufende Abschnitte der Übertragungsleitungen 116 und 126 durch auf Masse befindliche ebene Übertragungsleitungen gebildet werden wie beispielsweise Strip-Leitungen oder Übertragungsleitungen eines koplanaren Wellenleiters, um Kopplungseffekte zwischen den Übertragungsleitungen 116 und 126 und umgebenden Komponenten zu vermindern wie etwa zu einer Stromversorgungsebene, Leitungen für niederfrequente Steuersignale und zu anderen Übertragungsleitungen.
  • Beispielsweise weist eine Stripline-Übertragungsleitung eine Signalleitung auf, die auf einer Ebene der Metallisierung gebildet ist, die zwischen zwei Masseelementen angeordnet ist, die durch Masseebenen von benachbarten Metallisierungsschichten gebildet werden. Darüber hinaus können vertikale Abschnitte der Übertragungsleitungen 116 und 126 vertikale Signalleitungen enthalten (z.B. gebildet durch eine Reihe von verbundenen vertikalen Durchkontaktierungen durch mehrere Ebenen der BEOL-Strukturen 114 und 124), wobei die vertikalen Signalleitungen durch Reihen von auf Masse befindlichen Durchkontaktierungen abgeschirmt werden, die die vertikale Signalleitung umgeben. Dabei sind vertikale Abschnitte der Übertragungsleitungen 116 und 126 in Aufbau und Funktion einer koaxialen Übertragungsleitung ähnlich.
  • Der erste und der zweite Übergang Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 134 und 136 können implementiert werden unter Verwendung von einem von zahlreichen Typen von bekannten Strukturen des Übergangs Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter, die geeignet sind, einen Übergang zwischen den Übertragungsleitungen 116 und 126 und den E/A-Anschlüssen des integrierten Wellenleiters 132 bereitzustellen. Zu diesen Übergangsstrukturen Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter zählen z.B. Mikrostrip-, Stripline-Übergangsstrukturen, Übergangsstrukturen mit koplanarem Wellenleiter, geschlitzte Zuführungen und solche vom Sondentyp oder weitere Typen von GSG-(Masse-Signal-Masse-)Übergangsstrukturen, die für die vorgesehene Anwendung geeignet sind.
  • Der integrierte Wellenleiter 132 stellt einen Datenübertragungskanal bereit, der ermöglicht, dass der erste und der zweite integrierte Schaltkreis 110 und 120 Daten bei hohen Datenraten austauschen (z.B. Datenraten im Bereich von einigen Gbit/s bis Hunderten Gbit/s).
  • Wie des Weiteren in 1A gezeigt weist das Wellenleitersubstrat 130 eine Mehrzahl von leitenden Durchkontaktierungen 138 auf, die elektrische Verbindungen zwischen Kontakt-Pads und Verdrahtungsmustern an der ersten und der zweiten Oberfläche 130-1 und 130-2 des Wellenleitersubstrats bereitstellen. Die leitenden Durchkontaktierungen 138 bilden einen Teil der elektrischen Verdrahtung und von Zwischenverbindungen, die zum Versorgen/Verteilen von Gleichstrom zu den integrierten Schaltkreisen 110 und 120 von den Stromversorgungsleitungen auf der Anwendungsplatine 140 und zum Leiten von niederfrequenten Basisband- und Steuersignalen beispielsweise zwischen der Anwendungsplatine 140 und den integrierten Schaltkreisen 110 und 120 genutzt werden. Darüber hinaus können Verdrahtungsmuster auf der Oberfläche 130-1 des Wellenleitersubstrats 130 gebildet und an Kontakt-Pads an den unteren Oberflächen der BEOL-Strukturen 114 und 124 gebondet sein, um einen niederfrequenten Datenaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten integrierten Schaltkreis 110 und 120 zu ermöglichen.
  • In diesem Zusammenhang sollte klar sein, dass das Wellenleitersubstrat 130 mehreren Zwecken dient. Das Wellenleitersubstrat 130 dient beispielsweise als Blocksubstrat zum Anbringen und Tragen der integrierten Schaltkreise 110 und 120. Außerdem dient das Wellenleitersubstrat 130 als Block-Interposer zum Leiten von niederfrequenten Signalen zwischen der Anwendungsplatine 140 und den integrierten Schaltkreisen 110 und 120, zum Leiten von niederfrequenten Signalen zwischen den integrierten Schaltkreisen 110 und 120 und zum Versorgen der integrierte Schaltkreise 110 und 120 mit Strom. Darüber hinaus weist das Wellenleitersubstrat 130 eine oder mehrere integrierte Wellenleiterstrukturen auf, die verlustarme, schnelle Datenübertragungen zwischen den integrierten Schaltkreisen ermöglichen, die an dem Wellenleitersubstrat 130 sowie an Verdrahtungsmustern angebracht sind.
  • Die Betriebseigenschaften des integrierten Wellenleiters 132 hängen von zahlreichen Faktoren ab. Für eine verlustarme Übertragung von schnellen Datenübertragungssignalen sollte das Wellenleitersubstrat 130 beispielsweise unter Verwendung von verlustarmen isolierenden/dielektrischen Werkstoffen hergestellt sein. Das Wellenleitersubstrat 130 kann z.B. aus einem Werkstoff wie beispielsweise Glas (z.B. Quartz) oder Silicium mit hohem spezifischem Widerstand oder anderen verlustarmen Werkstoffen gebildet werden, die für die vorgegebene Blockanwendung geeignet sind. Darüber hinaus haben die Typen von Übergangstrukturen Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter, die implementiert werden, einen gewissen Einfluss auf die Größe der Einfügungsdämpfung und die Betriebsbandbreite des integrierten Wellenleiters, was für einen Fachmann klar ist.
  • Darüber hinaus hängen verschiedene Abmessungsparameter wie beispielsweise der Abstand zwischen den metallischen Kontaktstellen 132-2, die die Wellenleiter-Seitenwände und die Querschnitt-Abmessungen (Höhe H und Breite W) des integrierten Wellenleiters bilden, von der gewünschten Betriebsfrequenz und Bandbreite einer Struktur mit integriertem Wellenleiter ab. Wie in 1B gezeigt sollte beispielsweise der Abstand S zwischen den metallischen Kontaktstellen 132-3 ausreichend gering sein, so dass die Seitenwände des integrierten Wellenleiters 132 in Verbindung mit den metallischen Platten 132-1 und 132-2 effektiv eine „geschlossene Struktur“ bereitstellen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist beispielsweise der Abstand S zwischen den metallischen Kontaktstellen 132-3 geringer als etwa ¼ der Betriebswellenlänge (S ≤ 0,25 L) des integrierten Wellenleiters 132.
  • 1C ist eine Schnittansicht der Wellenleiterstruktur längs der Linie 1C-1C in 1B. 1C zeigt die Querschnittabmessungen der integrierten Wellenleiterstruktur 132 mit der Höhe H zwischen der ersten und der zweiten metallischen Platte 132-1 und 132-2 (d.h. die Dicke des Wellenleitersubstrats 130) und der Wellenleiter-Breite W zwischen den gegenüberliegenden Wellenleiter-Seitenwänden 132-3. Die Betriebsarten des integrierten Wellenleiters 132 beruhen auf den Abmessungen H und W. Bei einer Ausführungsform ist die Breite W vorzugsweise viel größer als 2 × H für den integrierten Wellenleiter (im Unterschied zu üblichen rechteckigen Wellenleitern, bei denen gilt W = 2 × H). Die Breite W ist näherungsweise die Hälfte (1/2) der Betriebswellenlänge des integrierten Wellenleiters 132. In diesem Zusammenhang handelt es sich bei der Breite W um eine kritische Abmessung, die einen wesentlichen Einfluss auf die Betriebsfrequenz des Wellenleiters hat. Die Wellenleiter-Höhe H hat zwar einen gewissen Einfluss auf die Betriebsfrequenz, die Höhe H beeinflusst hauptsächlich den Verlust der Wellenleiter-Struktur. Wenn die Wellenleiter-Höhe H zu klein ist, vergrößert sich der Einfügungsverlust des integrierten Wellenleiters.
  • Zwar ist es in 1A nicht speziell gezeigt, aber die erste und die zweite metallische Platte 132-1 und 132-2 und die Seitenwände 132-3 liegen durch Masseverbindungen zwischen den Komponenten des integrierten Wellenleiters 132 und den integrierten Schaltkreisen 110, 120 und/oder der Anwendungsplatine 140 auf Masse. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann es sich beispielsweise bei der zweiten metallischen Platte 132-2 um eine Block-Grundplatte handeln. In diesem Zusammenhang stellt der laminierte Wellenleiter 132 eine elektrisch isolierte Struktur bereit, bei der die sich ausbreitenden Signale in dem integrierten Wellenleiter 132 (die sich längs des Wellenleiterabschnitts L ausbreiten) von externen elektrischen Signalen elektrisch isoliert sind. Die elektrische Isolierung ermöglicht, dass zwei integrierte Wellenleiterstrukturen parallel zueinander in enger Nähe (z.B. geringe Schrittweite) ohne Störungen zwischen den sich ausbreitenden Signalen in den benachbarten integrierten Wellenleitern angeordnet werden können. Wie nachfolgend genauer erläutert wird, können tatsächlich zwei benachbarte integrierte Wellenleiter mit einer gemeinsamen Seitenwandstruktur aufgebaut werden, die von den beiden benachbarten integrierten Wellenleitern gemeinsam genutzt wird, während eine ausreichende Isolierung zwischen sich ausbreitenden Signalen in den benachbarten Wellenleitern bereitgestellt wird.
  • 2 veranschaulicht schematisch eine Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei 2 handelt es sich insbesondere um eine geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur 200, die der Blockstruktur 100 von 1 ähnlich ist, bei der jedoch Rückseiten des ersten und des zweiten integrierten Schaltkreises 110 und 112 mit der Anwendungsplatine 140 unter Verwendung einer Mehrzahl von Mikro-Bump-Verbindungen 210 (C4-Verbindungen) verbunden sind. Wie ferner in 2 gezeigt sind eine Mehrzahl von Silicium-Durchkontaktierungen 220 (Through-Silicon Vias TSVs) durch die Bulk-Substrate 111 und 121 gebildet und mit Metallisierungsschichten in den BEOL-Strukturen 114 und 124 des ersten und des zweiten integrierten Schaltkreises 110 und 120 elektrisch verbunden.
  • Bei dieser Ausführungsform können die Silicium-Durchkontaktierungen 220 genutzt werden, um von den Stromversorgungsleitungen auf der Anwendungsplatine 140 Gleichstrom zu liefern und an die integrierten Schaltkreise 110 und 120 zu verteilen und niederfrequente Basisband- und Steuersignale beispielsweise zwischen der Anwendungsplatine 140 und den integrierten Schaltkreisen 110 und 120 zu leiten. Des Weiteren kann bei einer Ausführungsform der Erfindung das Wellenleitersubstrat 130 Verdrahtungsmuster haben, die auf dessen erster Oberfläche 130-1 gebildet sind, um ein Leiten von niederfrequenten Signalen zwischen den integrierten Schaltkreisen 110 und 120 zu ermöglichen.
  • 3 veranschaulicht schematisch eine Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei 3 handelt es sich insbesondere um eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur 300, die den oben erläuterten Blockstrukturen ähnlich ist, bei der jedoch der erste und der zweite integrierte Schaltkreis 310 und 320 ohne die Bulk-Substrate dargestellt sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Rückseiten des ersten und des zweiten integrierten Schaltkreises 310 und 320 abgeschliffen oder auf andere Weise geätzt, um das Bulk-Silicium bis auf die isolierenden Schichten 112 und 122 (z.B. eingebettete Oxidschichten) zu entfernen, bevor sie in dem Block montiert werden.
  • Die isolierenden Schichten 112 und 122 des ersten und des zweiten integrierten Schaltkreises 310 und 320 sind an die erste Oberfläche 130-1 des Wellenleitersubstrats 130 unter Verwendung eines Haftwerkstoffs (z.B. Epoxy-Klebstoff) gebondet. Außerdem werden elektrische Verbindungen zwischen den integrierten Schaltkreisen 310 und 320 und dem Wellenleitersubstrat 130 beispielsweise durch Verbindungs-Endabschnitte der Übertragungsleitungen 116 und 126 mit Übergängen Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 134 und 136 hergestellt, wobei geeignete Mikro-Gelenkverbindungen verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Mikro-Bump-Verbindungen 330 (z.B. C4-Verbindungen) genutzt, um Gleichstrom zu liefern und von den Stromversorgungsleitungen an die integrierten Schaltkreise 310 und 320 zu verteilen, die auf der Oberfläche 140-1 der Anwendungsplatine 140 gebildet sind, und um niederfrequente Basisband- und Steuersignale beispielsweise zwischen der Anwendungsplatine 140 und den integrierten Schaltkreisen 310 und 320 zu leiten.
  • 4 veranschaulicht schematisch eine Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei 4 handelt es sich insbesondere um eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur 400, die der Blockstruktur 100 von 1A ähnlich ist, bei der jedoch ein Wellenleitersubstrat 430 gezeigt ist, das einen über eine Sonde gespeisten integrierten Wellenleiter 432 hat. Bei dieser Ausführungsform enthält das Wellenleitersubstrat 430 ein erstes Substrat 410 und ein zweites Substrat 420, die aneinander laminiert sind. Der über eine Sonde gespeiste integrierte Wellenleiter 432 weist eine erste metallische Platte 432-1, die an einer Oberfläche des ersten Substrats 410 gebildet ist, eine zweite metallische Platte 432-2, die an einer Oberfläche des zweiten Substrats 420 gebildet ist, und Seitenwände 432-3 auf, die in dem ersten und dem zweiten Substrat 410 und 420 gebildet sind, die die erste und die zweite metallische Platte 432-1 und 432-2 verbinden.
  • Das Block 400 weist des Weiteren eine erste Übergangsstruktur Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 434 und eine zweite Übergangsstruktur Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 436 mit entsprechenden Sonden-Elementen 434-1 und 436-1 auf. Bei einer Ausführungsform der Erfindung enthalten die Sonden-Elemente 434-1 und 436-1 eingebettete leitende Durchkontaktierungen, die in dem ersten Substrat 410 gebildet werden, bevor das erste und das zweite Substrat 410 und 420 aneinander gebondet werden. Die Sonden-Elemente 434-1 und 436-1 können z.B. gebildet werden, indem Durchgangslöcher durch das erste Substrat 434-1 gebohrt werden und die Durchgangslöcher anschließend unter Verwendung eines üblichen Prozesses (z.B. Elektroplattieren) metallisiert werden.
  • Nach Bilden der Sonden-Elemente 434-1 und 436-1 werden das erste und das zweite Substrat 410 und 420 aneinander gebondet, und die Metallisierung der Oberflächen 410-1 und 420-1 des ersten und des zweiten Substrats 419 und 420 wird strukturiert, um die metallischen Platten 432-1 und 432-2 (z.B. obere und untere Wellenleiterwände) und andere leitende Strukturen (z.B. Bonding-Pads, Verdrahtungen usw.) zu bilden. Die Seitenwände 432-3 des integrierten Wellenleiters 432 können gebildet werden, nachdem das erste und das zweite Substrat 410 und 420 aneinander gebondet wurden, beispielsweise durch Bilden von Durchgangslöchern durch das erste und das zweite Substrat 410 und 420 (z.B. durch Bohren, Ätzen, Laser-Abtragen usw.) und anschließendes Metallisieren der Durchgangslöcher zum Bilden der leitenden Seitenwände 432-3.
  • 5 veranschaulicht schematisch eine Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei 5 handelt es sich insbesondere um eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur 500, die ein Halbleiter-Wafer 510 (oder eines Abschnitts eines Wafers) aufweist, der eine Bulk-Substratschicht 511, eine isolierende Schicht 512, eine aktive Siliciumschicht 513 und eine BEOL-Struktur 514 aufweist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist der Halbleiter-Wafer 510 einen SOI-(Silicium-auf-Isolator-)Wafer auf, wobei es sich bei der isolierenden Schicht 512 um eine eingebettete Oxidschicht handelt, die auf einem Bulk-Siliciumsubstrat 511 gebildet ist, und wobei die aktive Schicht 513 eine dünne Schicht aus Silicium aufweist, die auf der eingebetteten Oxidschicht gebildet ist, wobei aktive Einheiten in der aktiven Siliciumschicht 513 gebildet sind. Bei einer Ausführungsform ist die Bulk-Siliciumschicht 511 aus Silicium mit hohem spezifischem Widerstand gebildet, um eine verlustarme eingebettete Wellenleiter-Struktur zu implementieren.
  • Wie des Weiteren in 5 gezeigt weist die Blockstruktur 500 insbesondere einen integrierten Wellenleiter 532 auf, der in den verschiedenen Schichten des Halbleiter-Wafers 510 gebildet ist. Beispielsweise sind eine erste metallische Platte 532-1 und Übergangsstrukturen Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 534 und 536 aus Metallisierungsschichten in der BEOL-Schicht 514 gebildet. Eine zweite metallische Platte 532-2 ist aus einer strukturierten Metallisierungsschicht an der Rückseite des Bulk-Siliciumsubstrats 511 gebildet. Eine Mehrzahl von leitenden Silicium-Durchkontaktierungen sind durch das Bulk-Substrat 511, die isolierende Schicht 512 und die aktive Siliciumschicht 513 gebildet, um Wellenleiter-Seitenwände 532-3 zu bilden.
  • Bei der Ausführungsform von 5 sind ein Teil des Bulk-Substrats 511, die isolierende Schicht 512 und die aktive Schicht 513 in dem integrierten Wellenleiter 530 enthalten. Da ein Großteil des Werkstoffs in dem integrierten Wellenleiter 530 einen verlustarmen Werkstoff des Bulk-Substrats 511 aufweist (z.B. hochohmiges Silicium), wird die Leistungsfähigkeit des integrierten Wellenleiters 530 durch das Vorhandensein von möglicherweise verlustbehafteten Werkstoffen nicht übermäßig beeinträchtigt, die zum Bilden der isolierenden Schicht 512 und der aktiven Siliciumschicht 513 verwendet werden. Bei einer Ausführungsform sind die erste metallische Platte 532-1 und Teile der Übergangsstrukturen Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 534 und 536 aus einer ersten Metallisierungsschicht M1 der BEOL-Schicht 514 gebildet.
  • Der integrierte Wellenleiter 532 stellt einen Datenübertragungskanal bereit, der ermöglicht, dass aktive Schaltungsanordnungen in unterschiedlichen Bereichen des Halbleiter-Wafers 510 (z.B. zwei verschiedene Chips) bei hohen Datenraten (beispielsweise Datenraten im Bereich von einigen Gbit/s bis mehrere Hundert Gbit/s) Daten austauschen. Zwar ist in 5 eine integrierte Wellenleiterstruktur 532 gezeigt, der Halbleiterwafer 510 kann jedoch so gefertigt werden, dass er zwei oder mehrere integrierte Wellenleiterstrukturen enthält, um schnelle Mehrkanal-Datenübertragungen zwischen aktiven Schaltungsanordnungen in mehreren Bereichen des Halbleiter-Wafers 510 zu ermöglichen (z.B. drei oder mehr unterschiedliche Chips) oder beispielsweise zum Implementieren von mehreren Kanälen zur schnellen Datenübertragung zwischen verschiedenen Chip-Bereichen.
  • Wie des Weiteren in 5 gezeigt ist der Halbleiter-Wafer 510 durch Flip-Chip-Montage auf der Anwendungsplatine 140 angebracht, wobei beispielsweise ein Array von C4-Verbindungen 540 oder andere ähnliche Mikro-Bumb-Techniken verwendet werden. Die C4-Verbindungen 540 werden zwischen Bonding/Kontakt-Pads und Verdrahtungsmustern, die Teil der BEOL-Schicht sind, und entsprechenden Bonding/Kontakt-Pads und Verdrahtungsmustern einer strukturierten Metallisierungsschicht gebildet, die an der Oberfläche 140-1 der Anwendungsplatine 140 gebildet ist.
  • 6 veranschaulicht schematisch eine Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei 6 handelt es sich insbesondere um eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur 600, die der Blockstruktur 500 von 5 ähnlich ist, bei der jedoch eine Rückseite des Halbleiter-Wafers 510 unter Verwendung einer Mehrzahl von Mikro-Bump-Verbindungen 610 (z.B. C4-Verbindungen) mit der Anwendungsplatine 140 verbunden ist. Wie des Weiteren in 6 gezeigt sind eine Mehrzahl von leitenden Silicium-Durchkontaktierungen 620 durch die Bulk-Substratschicht 511 des Halbleiter-Wafers 510 gebildet, um elektrische Verbindungen zwischen Metallisierungsschichten in der BEOL-Struktur 514 und Bonding-Pads und der Verdrahtung an der Oberfläche 140-1 der Anwendungsplatine 140 zu bilden. Bei einer Ausführungsform werden beispielsweise die leitenden Silicium-Durchkontaktierungen 620 verwendet, um von Stromversorgungsleitungen an der Oberfläche 140-1 der Anwendungsplatine Gleichstrom zu liefern und an Schaltungsanordnungen in verschiedenen Bereichen (z.B. verschiedenen Chips) des Halbleiter-Wafer 510 zu verteilen und um niederfrequente Basisband- und Steuersignale z.B. zwischen der Anwendungsplatine 140 und der aktiven Schaltungsanordnung des Halbleiter-Wafers 510 zu leiten.
  • 7 veranschaulicht schematisch eine Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei 7 handelt es sich insbesondere um eine schematische geschnittene Seitenansicht einer Blockstruktur 700, die der Blockstruktur 100 von 1 ähnlich ist, bei der jedoch das Wellenleitersubstrat 130 von 1 weggelassen ist und bei der eine Anwendungsplatine 740 mit einem integrierten Wellenleiter 742 aufgebaut ist. Wie in 7 gezeigt sind der erste und der zweite integrierte Schaltkreis 110 und 120 elektrisch und mechanisch mittels Flip-Chip-Montage an einer Oberfläche 740-1 der Anwendungsplatine 740 angebracht, wobei ein Array von C4-Verbindungen oder andere ähnliche Mikro-Bump-Techniken verwendet werden.
  • Der integrierte Wellenleiter 742 weist eine erste metallische Platte 742-1, eine zweite metallische Platte 742-2 und Seitenwände 742-3 auf. Die erste und die zweite metallische Platte 742-1 und 742-2 sind von Metallisierungsschichten an gegenüberliegenden Oberflächen 740-1 und 740-2 der Anwendungsplatine 740 strukturiert, und die Seitenwände 742-3 sind durch metallische Kontaktstellen (z.B. leitende Durchkontaktierungen) gebildet, die durch die Anwendungsplatine 740 gebildet sind. Darüber hinaus weist die Blockstruktur 700 Übergangsstrukturen Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 744 und 746 auf, bei denen wenigstens ein Teil der Übergangsstrukturen Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 744 und 746 Strukturen hat, die durch Strukturieren der Metallisierungsschicht an der ersten Seite 740-1 der Anwendungsplatine gebildet sind. Bei einer Ausführungsform ist die Anwendungsplatine 740 aus verlustarmem Werkstoff gebildet, um die Betriebseigenschaften des integrierten Wellenleiters bei hohen Betriebsfrequenzen zu verbessern.
  • Wie des Weiteren in 7 gezeigt weist die Anwendungsplatine 740 eine Mehrzahl von leitenden Durchkontaktierungen 748 auf, die elektrische Verbindungen zwischen Kontakt-Pads und Verdrahtungsmustern an der ersten und der zweiten Oberfläche 740-1 und 740-2 der Anwendungsplatine 740 bereitstellen. Die leitenden Durchkontaktierungen 748 bilden einen Teil der elektrischen Verdrahtung und von Zwischenverbindungen, die genutzt werden, um von Stromversorgungsleitungen auf der Anwendungsplatine 740 Gleichstrom an die integrierten Schaltkreise 110 und 120 zu liefern/zu verteilen und niederfrequente Basisband- und Steuersignale beispielsweise zwischen der Anwendungsplatine 740 und den integrierten Schaltkreisen 110 und 120 und niederfrequente Signale zwischen den integrierten Schaltkreisen 110 und 120 zu leiten.
  • 8 veranschaulicht schematisch eine Blockstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der mehrere integrierte Wellenleiter genutzt werden, um Mehrkanal-Datenübertragungen zwischen integrierten Schaltkreisen bereitzustellen. Bei 8 handelt es sich insbesondere um eine schematische Draufsicht einer Blockstruktur 800, die einen ersten integrierten Schaltkreis 810 und einen zweiten integrierten Schaltkreis 820 aufweist, die durch Flip-Chip-Montage auf einem Blockträger 830 angebracht sind, wobei eine Mehrzahl von Bonding-Pads 811 bzw. 821 verwendet werden. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann es sich bei dem Blockträger 830 um ein spezielles Wellenleitersubstrat (wie z.B. bei den beispielhaften Ausführungsformen der 1, 2, 3 und 4) oder eine Anwendungsplatine (wie bei der beispielhaften Ausführungsform von 7) oder einen anderen Typ des Blockträgers handeln.
  • Der Blockträger 830 weist eine Mehrzahl von integrierten Wellenleiterstrukturen 831, 832 und 833 auf, die jeweils eine Übergangsstruktur Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 834 zum Anschließen der Übertragungsleitungen des ersten integrierten Schaltkreises 810 bzw. eine Übergangsstruktur Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 835 zum Anschließen an die Übertragungsleitungen des zweiten integrierten Schaltkreises 820 aufweisen. Bei der beispielhaften Ausführungsform, die in 8 gezeigt ist, weisen die Übergangsstrukturen Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 834 und 835 Übergangsstrukturen Mikrostrip-zu-Wellenleiter auf. Die Übergangsstrukturen Mikrostrip-zu-Wellenleiter können unter Verwendung von herkömmlichen Techniken und Strukturen gebildet werden.
  • Bei der beispielhaften Ausführungsform von 8 stellt die Blockstruktur 800 drei Datenübertragungskanäle mit hoher Datenrate zwischen dem ersten und dem zweiten integrierten Schaltkreis 810 und 820 unter Verwendung der drei separaten integrierten Wellenleiter 831, 832 und 833 bereit. Da die integrierten Wellenleiterstrukturen bei geringer gegenseitiger Kopplung mit externen Komponenten elektrisch isoliert sind, können darüber hinaus die beiden benachbarten Wellenleiter 832 und 833 wie in 8 gezeigt so aufgebaut sein, dass sie eine gemeinsame Seitenwandstruktur 836 zusammen nutzen, die wie oben erläutert aus eine Reihe metallischer Kontaktstellen gebildet ist. Das ermöglicht eine Integration mit hoher Dichte von mehreren eingebetteten Wellenleiterstrukturen in einer hochintegrierten Blockstruktur.
  • Die 9A und 9B veranschaulichen schematisch einen integrierten Wellenleiter 900 mit einer Übergangsstruktur geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter 920 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei 9A handelt es sich insbesondere um eine schematische Draufsicht des integrierten Wellenleiters 900 und der Übergangsstruktur geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter 920, und bei 9B handelt es sich um eine schematische Seitenansicht der integrierten Wellenleiterstruktur 900 längs einer Linie 9B-9B in 9A. Wie in den 9A und 9B gezeigt weist der integrierte Wellenleiter 900 eine erste metallische Platte 910, eine zweite metallische Platte 912 und Seitenwände auf, die durch eine Reihe von metallischen Kontaktstellen 914 (z.B. metallisierte Durchgangslöcher) gebildet sind, die die erste und die zweite metallische Platte 910 und 912 verbinden.
  • Die erste und die zweite metallische Platte 910 und 912 sind durch Metallisierung an gegenüberliegenden Oberflächen eines Substrats 916 gebildet. Bei einer Ausführungsform ist das Substrat 916 aus einem verlustarmen Werkstoff, beispielsweise Glas oder Silicium mit großem spezifischen Widerstand gebildet. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die zweite metallische Platte 912 eine Block-Grundplatte auf oder ist ein Teil davon und dient zum elektrischen Erden der metallischen Komponenten des integrierten Wellenleiters 900.
  • Der Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter 920 weist einen ersten Schlitz 922 und einen zweiten Schlitz 924 auf, die aneinander angrenzend in einem Randbereich der ersten metallischen Platte 910 des integrierten Wellenleiters 900 strukturiert sind. Wie in 9A gezeigt verlaufen erste Längenabschnitte (L1) des ersten und des zweiten Schlitzes 922 und 924 parallel von einem Rand der ersten metallischen Platte 910, und zweite Längenabschnitte (L2) des ersten und des zweiten Schlitzes 922 und 924 verlaufen unter divergierenden Winkeln von Enden der jeweiligen ersten Längenabschnitte (L1). Wie in 9A gezeigt sind bei einer Ausführungsform der Erfindung der erste und der zweite Schlitz 922 und 924 spiegelbildliche Muster, die eine Y-förmige Schlitzstruktur bilden.
  • Der Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter 920 stellt eine GSG-(Masse-Signal-Masse-)Verbindung zu einer ebenen Übertragungsleitung bereit, wobei ein Abschnitt 926 der ersten metallischen Platte 910 zwischen dem ersten und dem zweiten Schlitz 922 und 924 eine Signalleitungs-(S-)Verbindung zu dem Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter 920 bereitstellt und wobei Abschnitte der ersten metallischen Platte 910 an gegenüberliegenden Seiten des ersten und des zweiten Schlitzes 922 und 924 Masse-(G-)Verbindungen zu dem Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter 920 bereitstellen. Der beispielhafte Übergang Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter 920, der in 9A gezeigt ist, stellt Breitband-Operationen bereit und ist sehr flexibel dahingehend, dass er mit Übertragungsleitungen des CPW-Typs sowie mit Übertragungsleitungen des Stripline- und Mikrostrip-Typs verbunden werden kann. Der Übergang Übertragungsleitungzu-Wellenleiter 920 kann wie oben erläutert in Blockstrukturen einfach implementiert werden.
  • 10 veranschaulicht schematisch eine Blockstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der mehrere integrierte Wellenleiter genutzt werden, um eine eingebettete Leistungs-Kombinierer/Teiler-Schaltung für drahtlose Anwendungen zu implementieren. Bei 10 handelt es sich insbesondere um eine schematische Draufsicht einer Blockstruktur 1000, die einen ersten integrierten HF-Schaltkreis (integrierte Hochfrequenz-Schaltung) 1010, einen zweiten integrierten HF-Schaltkreis 1020, ein Antennenmodul 1030 und eine passive Leistungs-Kombinierer- und/oder Teiler-Schaltung 1040 aufweist, die aus einem Netzwerk von integrierten Wellenleiterstrukturen realisiert ist, die in einem Blockträger 1050 integral gebildet sind. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es sich bei den Elementen 1010 und 1020 um Blockstrukturen mit integrierten HF-Schaltkreisen handeln, die einen oder mehrere integrierte HF-Schaltkreise aufweisen.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste und der zweite integrierte HF-Schaltkreis 1010 und 1020 und das Antennenmodul 1030 an dem Blockträger 1050 angebracht. Bei dem Blockträger 1050 kann es sich um ein spezielles Wellenleitersubstrat (wie z.B. bei den beispielhaften Ausführungsformen der 1, 2, 3 und 4) oder eine Anwendungsplatine (wie bei der beispielhaften Ausführungsform von 7) oder um einen anderen Typ des Blockträgers handeln. Die Leistungs-Kombinierer- und/oder Teiler-Schaltung 1040 ermöglicht dem ersten und dem zweiten integrierten HF-Schaltkreis 1010 und 1020 HF-Signale zum Antennenmodul 1030 zu senden für eine Übertragung durch eine oder mehrere Antennen des Antennenmoduls 1030 und/oder HF-Signale zu empfangen, die durch eine oder mehrere Antennen des Antennenmoduls 1030 aufgenommen und von dem Antennenmodul 1030 zu dem ersten und dem zweiten integrierten HF-Schaltkreis 1010 und 1020 gesendet werden.
  • 11 veranschaulicht schematisch eine Blockstruktur mit einem integrierten Wellenleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei 11 handelt es sich insbesondere um eine schematische Draufsicht einer Blockstruktur 1100, die einen integrierten HF-Schaltkreis 1110 (oder integrierten HF-Schaltkreis-Block) eine Wellenleiter-Schnittstelle 1120 und einen integrierten Wellenleiter 1130 aufweist, der in einem Blockträger 1040 integral gebildet ist. Der integrierte HF-Schaltkreis 1110 und die Wellenleiter-Schnittstelle 1120 sind an dem Blockträger 1140 angebracht oder auf andere Weise auf ihm gebildet. Bei dem Blockträger kann es sich um ein spezielles Wellenleitersubstrat (wie z.B. bei den beispielhaften Ausführungsformen der 1, 2, 3 und 4) oder eine Anwendungsplatine (wie bei der beispielhaften Ausführungsform von 7) oder einen anderen Typ von Blockträger handeln. Der integrierte Wellenleiter 1130 stellt einen Datenübertragungskanal zwischen dem integrierten HF-Schaltkreis 1110 und der Wellenleiter-Schnittstelle 1120 bereit, wobei die Wellenleiter-Schnittstelle 1120 so eingerichtet ist, dass sie mit einer externen Wellenleiterstruktur (z.B. Metall-Wellenleiter oder dielektrischer Wellenleiter) verbunden werden kann, die Datenübertragungssignale zu und von einem Hochleistungs-Antennensystem leitet, beispielsweise zu dem Modul 1100.
  • Zwar wurden hier Ausführungsformen für Erläuterungszwecke unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, es sollte jedoch klar sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese genauen Ausführungsformen beschränkt ist und daran zahlreiche andere Änderungen und Modifikationen durch einen Fachmann ausgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (20)

  1. Blockstruktur, die aufweist: ein Blocksubstrat, das einen integrierten Wellenleiter aufweist; und einen ersten integrierten Schaltkreis und einen zweiten integrierten Schaltkreis, die an dem Blocksubstrat angebracht sind; wobei der erste integrierte Schaltkreis unter Verwendung eines ersten Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter-Übergangs mit dem integrierten Wellenleiter verbunden ist; wobei der zweite integrierte Schaltkreis unter Verwendung eines zweiten Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter-Übergangs mit dem integrierten Wellenleiter verbunden ist; und wobei der erste und der zweite integrierte Schaltkreis so eingerichtet sind, dass sie unter Verwendung des integrierten Wellenleiters in dem Blockträger durch Übertragen von Signalen Daten austauschen.
  2. Blockstruktur nach Anspruch 1, wobei das Blocksubstrat aufweist: ein ebenes Substrat; und eine erste Metallisierungsschicht und eine zweite Metallisierungsschicht, die an gegenüberliegenden Oberflächen des ebenen Substrats gebildet sind; wobei wenigstens ein Abschnitt des ersten und des zweiten Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter-Übergangs aus der ersten und/oder der zweiten Metallisierungsschicht gebildet ist; und wobei der integrierte Wellenleiter aufweist: eine erste metallische Platte, die aus der ersten Metallisierungsschicht strukturiert ist; eine zweite metallische Platte, die aus der zweiten Metallisierungsschicht strukturiert ist; und Seitenwände, die zwischen der ersten und der zweiten metallischen Platte angeordnet sind; wobei die Seitenwände eine Reihe von leitenden Durchkontaktierungen aufweisen, die durch das ebene Substrat gebildet sind und die erste und die zweite metallische Platte verbinden.
  3. Blockstruktur nach Anspruch 2, wobei das ebene Substrat wenigstens ein erstes Substrat und ein zweites Substrat aufweist, die aneinander gebondet sind, wobei das erste Substrat ein erstes Sonden-Element, das Teil des ersten Übertragungsleitungzu-Wellenleiter-Übergangs bildet, und ein zweites Sonden-Element, das Teil des zweiten Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter-Übergangs bildet, wobei das erste und das zweite Sonden-Element leitende eingebettete Durchkontaktierungen aufweisen, die in dem ersten Substrat gebildet sind.
  4. Blockstruktur nach Anspruch 1, wobei das Blocksubstrat ein Glassubstrat aufweist.
  5. Blockstruktur nach Anspruch 1, wobei das Blocksubstrat ein Siliciumsubstrat mit hohem spezifischem Widerstand aufweist.
  6. Blockstruktur nach Anspruch 1, die ferner eine Anwendungsplatine aufweist; wobei das Blocksubstrat, das den integrierten Wellenleiter aufweist, so an der Anwendungsplatine angebracht ist, dass das Blocksubstrat als Interposer zwischen der Anwendungsplatine und dem ersten und dem zweiten integrierten Schaltkreis dient; wobei das Blocksubstrat eine Mehrzahl von leitenden Durchkontaktierungen, die durch das Blocksubstrat gebildet sind, und Verdrahtungsmuster aufweist, die auf Oberflächen des Blocksubstrats gebildet sind; und wobei die leitenden Durchkontaktierungen und die Verdrahtungsmuster des Blocksubstrats so eingerichtet sind, dass sie niederfrequente Signale zwischen dem ersten und dem zweiten integrierten Schaltkreis und zwischen der Anwendungsplati-ne und dem ersten und dem zweiten integrierten Schaltkreis leiten und Gleichströme von der Anwendungsplatine zu dem ersten und dem zweiten integrierten Schaltkreis verteilen.
  7. Blockstruktur nach Anspruch 1, das ferner eine Anwendungsplatine aufweist; wobei aktive Oberflächen des ersten und des zweiten integrierten Schaltkreises an dem Blocksubstrat angebracht sind, das den integrierten Wellenleiter aufweist; wobei die Anwendungsplatine an inaktiven Oberflächen des ersten und des zweiten integrierten Schaltkreises so angebracht ist, dass der erste und der zweite integrierte Schaltkreis zwischen der Anwendungsplatine und dem Blocksubstrat angeordnet sind; und wobei der erste und der zweite integrierte Schaltkreis Silicium-Durchkontaktierungen aufweisen, die in Bulk-Substratschichten des ersten und des zweiten integrierten Schaltkreises gebildet sind, wobei die Silicium-Durchkontaktierungen elektrische Verbindungen zwischen der Anwendungsplatine und BEOL-Strukturen (Back-End-of-Line-Strukturen) des ersten und des zweiten integrierten Schaltkreises bereitstellen.
  8. Blockstruktur nach Anspruch 1, die ferner eine Anwendungsplatine aufweist; wobei der erste und der zweite integrierte Schaltkreis jeweils ein Silicium-auf-Isolator-(SOI-) Substrat aufweisen, wobei das SOI-Substrat eine BEOL-(Back-End-of-Line-)Struktur, eine aktive Silicium-Schicht und eine eingebettete Oxidschicht aufweist; wobei die eingebetteten Oxid-Schichten des ersten und des zweiten integrierten Schaltkreises an das Blocksubstrat gebondet sind, das den integrierten Wellenleiter aufweist; wobei die Anwendungsplatine so an den BEOL-Strukturen des ersten und des zweiten integrierten Schaltkreises angebracht sind, dass der erste und der zweite integrierte Schaltkreis zwischen der Anwendungsplatine und dem Blocksubstrat angeordnet sind; und wobei wenigstens ein Abschnitt des ersten und des zweiten Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter-Übergangs Metallisierungsstrukturen aufweist, die in Bereichen der aktiven Silicium- und eingebetteten Oxidschichten gebildet sind.
  9. Blockstruktur nach Anspruch 1, wobei die Blockstruktur eine Anwendungsplatine aufweist, auf der der integrierte Wellenleiter gebildet ist.
  10. Blockstruktur nach Anspruch 1, die ferner ein Antennenmodul aufweist, das an der Blockstruktur angebracht ist, wobei das Blocksubstrat eine integrierte Leistungskombinierer-Struktur aufweist, die das Antennenmodul und den ersten und den zweiten integrierten Schaltkreis verbindet, wobei der integrierte Leistungskombinierer integrierte Wellenleiterstrukturen aufweist, die in dem Blocksubstrat integral gebildet sind.
  11. Blockstruktur nach Anspruch 1, die ferner ein Antennenmodul aufweist, das an der Blockstruktur angebracht ist, wobei das Blocksubstrat eine integrierte Leistungsteiler-Struktur aufweist, die das Antennenmodul und den ersten und den zweiten integrierten Schaltkreis verbindet, wobei der integrierte Leistungsteiler integrierte Wellenleiterstrukturen aufweist, die in dem Blocksubstrat integral gebildet sind.
  12. Blockstruktur nach Anspruch 1, die ferner eine Wellenleiter-Schnittstelle aufweist, die mit dem Blocksubstrat verbunden ist, wobei die Wellenleiter-Schnittstelle zum Verbinden mit einem metallischen Wellenleiter oder einem dielektrischen Wellenleiter eingerichtet ist, wobei das Blocksubstrat einen zweiten integrierten Wellenleiter aufweist, der die Wellenleiter-Schnittstelle mit dem ersten und/oder dem zweiten integrierten Schaltkreis verbindet.
  13. Blockstruktur nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Übertragungsleitungzu-Wellenleiter-Übergang einen Mikrostrip-zu-Wellenleiter-Übergang oder einen koplanarer Wellenleiter-zu-Wellenleiter-Übergang oder einen Stripline-zu-Wellenleiter-Übergang oder einen geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter-Übergang aufweisen.
  14. Blockstruktur nach Anspruch 1, wobei der erste und/oder der zweite Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter-Übergang einen Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter aufweisen, wobei der Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter aufweist: erste und zweite Schlitze, die aneinander angrenzend in einem Randbereich einer ersten metallischen Platte des integrierten Wellenleiters strukturiert sind; wobei erste Längenabschnitte der ersten und zweiten Schlitze parallel von einem Rand der ersten metallischen Platte verlaufen; wobei zweite Längenabschnitte der ersten und zweiten Schlitze unter divergierenden Winkeln von Enden der jeweiligen ersten Längenabschnitte verlaufen; wobei ein Abschnitt der ersten metallischen Platte zwischen den ersten und den zweiten Schlitzen eine Signalleitungsverbindung mit dem Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter bereitstellt; und wobei Abschnitte der ersten metallischen Platte an gegenüberliegenden Seiten der ersten und zweiten Schlitze Masseverbindungen mit dem Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter bereitstellen.
  15. Halbleiter-Wafer, der aufweist: eine Bulk-Substratschicht; eine aktive Siliciumschicht; eine BEOL-(Back-End-of-Line-)Schicht, die auf der aktiven Schicht gebildet ist; einen integrierten Wellenleiter, der zumindest teilweise in der Bulk-Substratschicht gebildet ist; einen ersten Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter-Übergang; einen zweiten Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter-Übergang; eine erste integrierte Schaltung, die über den ersten Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter-Übergang mit dem integrierten Wellenleiter verbunden ist; eine zweite integrierte Schaltung, die über den zweiten Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter-Übergang mit dem integrierten Wellenleiter verbunden ist; wobei die erste und die zweite integrierte Schaltung des Halbleiter-Wafers so eingerichtet sind, dass sie durch Übertragen von Signalen unter Verwendung des integrierten Wellenleiters Daten austauschen.
  16. Halbleiter Wafer nach Anspruch 15, wobei der integrierte Wellenleiter aufweist: eine erste metallische Platte, die aus einer ersten Metallisierungsschicht strukturiert ist; eine zweite metallische Platte, die aus einer zweiten Metallisierungsschicht strukturiert ist, und Seitenwände, die zwischen der ersten und der zweiten metallischen Platte angeordnet sind; wobei die erste Metallisierungsschicht eine Metallisierungsschicht der BEOL-Schicht aufweist; wobei die zweite Metallisierungsschicht auf der Bulk-Substratschicht gebildet ist; wobei die Seitenwände eine Reihe von leitenden Silicium-Durchkontaktierungen aufweisen, die durch die aktive Schicht und die Bulk-Substratschicht gebildet sind, die die erste und die zweite metallische Platte verbinden; und wobei wenigstens ein Abschnitt des ersten und des zweiten Übertragungsleitung-zu-Wellenleiter-Übergangs aus der ersten Metallisierungsschicht gebildet ist.
  17. Halbleiter-Wafer nach Anspruch 16, wobei die Bulk-Substratschicht ein Siliciumsubstrat mit hohem spezifischem Widerstand aufweist.
  18. Blockstruktur, die den Halbleiter-Wafer von Anspruch 15 aufweist, wobei die Blockstruktur einen Blockträger mit dem Halbleiter-Wafer aufweist, der an einer Oberfläche des Blockträgers unter Verwendung eines Array von Mikro-Bump-Verbindungen zwischen der BEOL-Schicht und der Oberfläche des Blockträgers angebracht ist.
  19. Blockstruktur, die den Halbleiter-Wafer nach Anspruch 15 aufweist, wobei die Blockstruktur einen Blockträger mit dem Halbleiter-Wafer aufweist, der an einer Oberfläche des Blockträgers unter Verwendung eines Array von Mikro-Bump-Verbindungen zwischen der Bulk-Substratschicht und der Oberfläche des Blockträgers angebracht ist, wobei die Bulk-Substratschicht eine Mehrzahl von Silicium-Durchkontaktierungen aufweist, um elektrische Verbindungen zwischen dem Blockträger und der BEOL-Schicht bereitzustellen.
  20. Wellenleiter, der aufweist: eine erste metallische Platte; eine zweite metallische Platte metallische Seitenwände, die die erste und die zweite metallische Platte verbinden; und einen Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter, der in einem Randbereich der ersten metallischen Platte gebildet ist, wobei der Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter aufweist: erste und zweite Schlitze, die nebeneinander in dem Randbereich der ersten metallischen Platte strukturiert sind; wobei erste Längenabschnitte der ersten und zweiten Schlitze parallel von einem Rand der metallischen Platte verlaufen; wobei zweite Längenabschnitte der ersten und zweiten Schlitze unter divergierenden Winkeln von Enden der jeweiligen ersten Längenabschnitte verlaufen; wobei ein Abschnitt der ersten metallischen Platte zwischen den ersten und den zweiten Schlitzen eine Signalleitungsverbindung zu dem Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter bereitstellt; und wobei Abschnitte der ersten metallischen Platte an gegenüberliegenden Seiten der ersten und zweiten Schlitze Masseverbindungen zu dem Übergang geschlitzte Zuführung-zu-Wellenleiter bereitstellen.
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