DE19701337C2 - Gehäuse für Mehrchimpmodule - Google Patents

Gehäuse für Mehrchimpmodule

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Description

Die Erfindung ist auf ein Gehäuse für Mehrchipmodule ge­ richtet. Insbesondere ist die Erfindung auf das Vorsehen einer hohen Isolation sowohl zwischen den Leitungen als auch entlang den Leitungen bei Mikrowellenanwendungen gerichtet.
Ein Gehäuse für integrierte Schaltungen (ICs; ICs = integra­ ted circuits = integrierte Schaltungen) für eine Mikrowel­ lentestausrüstung erfordert eine Reihe von Kennzeichen: Zwi­ schen den unterschiedlichen Funktionsblöcken ist eine hohe Isolation erforderlich, es müssen verlustarme HF-Übertra­ gungswege (HF = Hochfrequenz) vorgesehen sein, und die end­ gültige Anordnung muß preisgünstig sein. Üblicherweise wurde für Frequenzen unterhalb von 20 GHz das Führen von Mikrowel­ lensignalen in Geräten mittels Koaxialkabeln mit SMA-Verbin­ dern an den Enden durchgeführt. In den letzten Jahren wurden jedoch viele ICs, die bei Frequenzen von bis zu 10 GHz ar­ beiten, in Oberflächenbefestigungsgehäusen aus Kunststoff oder Keramik zum Befestigen auf gedruckten Schaltungsplati­ nen preisgünstig verfügbar.
Es wäre zweckmäßig, ein Schema zu besitzen, das preiswerte, verlustarme, reflexionsarme Übergänge mit hoher Isolation entweder zu den gedruckten Schaltungsplatinen oder den SMA- Verbindern ermöglicht. Zusätzlich wäre es vorteilhaft, die Dichte von Gleichstrom- und HF-Verbindungen zu der Außenwelt über den 5 mm-Zwischenraum, der der Standard für Mikroschal­ tungen war, zu erhöhen. Es wird ein Mehrchipmodul-Packungs­ system benötigt, das diesen Problemen begegnet.
Die US-A-3,689,804 beschreibt ein hybrides Schaltungsgerät mit einer Mehrzahl von Schaltungselementen, die mit einer Leiterplatte verbunden sind, die auf einem Strahlungsbauteil befestigt ist. Zwischen den Elementen des Schaltungsgeräts ist ein flexibles, isolierendes Material dicht angeordnet. Anschlußleitungen sind an der Leiterplatte befestigt, und dieselbe ist über ein flexibles, isolierendes Material an dem Strahlungsbauteil befestigt.
Die WO 96/13059 A2 beschreibt ein Gehäuse für eine integrierte Mikrowellenschaltung, wobei das Gehäuse eine Grundplatte mit einer Masterebene, eine dielektrische Schicht, eine obere, leitfähige Schicht, und einen Aluminiumrahmen umfaßt.
Die GB 2246470 A beschreibt ein Gehäuse für eine integrierte Mikrowellenschaltung, bei dem eine Zerstörung eines Alumi­ niumoxidsubstrats aufgrund der Unterschiede der thermischen Ausbreitungskoeffizienten zwischen Gehäuse und dem Alumi­ niumoxid unter Verwendung einer Eisen-Nickel-Legierung ver­ mieden werden.
Die DE 35 27 818 C2 beschreibt ein Gehäuse für einen Hybrid­ schaltkreis, welches aus Metall hergestellt ist und einen hermetisch verschließbaren Gehäusedeckel aufweist. Durch ei­ nen Gehäuseboden erstrecken sich Kontaktstifte mit Isolier­ durchführungen hindurch.
Die US-A-5,438,481 beschreibt einen Anschlußleitungsrahmen, der einen Rahmen und eine Schaltung umfaßt, bei dem die Schaltung eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Elementen aufweist. Die Elemente sind durch den Rahmen festgehalten und dieses Element umfaßt einen Bereich, um einen Stift durch das Element aufzunehmen, um dasselbe mit einer Platine zu verbinden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Gehäuse für integrierte Schaltungen zu schaf­ fen.
Diese Aufgabe wird durch ein Gehäuse gemäß Anspruch 1 ge­ löst.
Eine Modultechnologie ermöglicht es, daß eine PGA-artige (PGA = pin grid array = Stiftrasterarray) Gehäuseanordnung bei Mikrowellengeräten oder anderen Hochfrequenzsystemen verwendet wird, bei denen preisgünstige Mehrchipmodule mit hoher Isolation und niedriger Reflexion benötigt werden. Das Gehäuse umfaßt ein vorgefomtes Grundplattenelement, das zwi­ schen einer Grundplatte und einem Substrat bzw. einer Schal­ tungsanordnung mit Anschlußstiften positioniert ist. Das vorgeformte Grundplattenelement ist aus einem Material her­ gestellt, das die unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen dem Grundplattenmaterial und der Schaltungsanord­ nung ausgleicht. Ein vorgeformtes Deckelelement, das zwi­ schen der Schaltungsanordnung und einem Deckel positioniert ist, gleicht außerdem die Unterschiede der thermischen Aus­ dehnung aus.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine PGA-artige Lösung für eine Mikrowellenin­ strumentation.
Fig. 2 eine PGA-artige Lösung mit niedriger Induktivi­ tät.
Fig. 3A-B eine PGA-artige Lösung mit mehrfacher Isolation.
Fig. 4A-C ein vollständig angeordnetes Modul.
Das Packungsschema beginnt mit einem Stiftrasterarraygehäuse (PGA-Gehäuse) und modifiziert daraufhin dasselbe, um eine höhere Isolation und ein besseres Verhalten für die Übergän­ ge auf das Gehäuse und von dem Gehäuse weg zu erreichen.
Grundlegende Vorteile der PGA-Architektur für Mehrchipmodule sind die hohe Dichte der Verbindungen, die die PGA-Architek­ tur ermöglicht, und die Fähigkeit, physikalisch große Module an den gedruckten Schaltungsplatinen zu befestigen, ohne daß die unterschiedliche Ausdehnung des Moduls gegenüber der ge­ druckten Schaltungsplatine ein Problem darstellt, da die PGA-Stifte seitwärts biegbar sind. Diese Vorteile werden bei diesem Schema bewahrt, wobei jedoch Verbesserungen herge­ stellt werden, um bessere Frequenzübergänge in das Modul und aus demselben heraus bereitzustellen, um die Wärme von dem Modul besser abzuleiten, und um eine höhere elektrische Iso­ lation von einem Anschlußstift zum anderen zu schaffen.
Fig. 1 stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung dar. Ein Gehäuse 10 umfaßt ein elektrisch leit­ fähiges, klebendes vorgeformtes Grundplattenelement bzw. eine elektrisch leitfähige, klebende Basisplattenvorform 12, die zwischen einer Grund- bzw. Basis-Platte 14 und einem Substrat bzw. einer Schaltungsanordnung 16 mit Anschlußstif­ ten positioniert ist. Die Basisplattenvorform 12 schafft eine mechanische Befestigung zwischen der Basisplatte und der Schaltungsanordnung, während außerdem die Masseflächen elektrisch verbunden sind. Die Basisplattenvorform 12 be­ wirkt ferner einen Ausgleich der unterschiedlichen thermi­ schen Ausdehnung zwischen der Basisplatte 14 und der Schal­ tungsanordnung 16. Ein elektrisch leitfähiges, mechanisch klebendes vorgeformtes Deckelelement bzw. eine elektrisch leitfähige, mechanisch klebende Deckelvorform 18 ist zwi­ schen der Schaltungsanordnung 16 und einem Deckel 20 posi­ tioniert, um diese zwei Teile mechanisch und elektrisch zu befestigen, und um die unterschiedliche thermische Ausdeh­ nung zwischen denselben auszugleichen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Basisplatte eine Metallmassefläche, die die Anschlußstifte der Schal­ tungsanordnung elektrisch isoliert. Die Anschlußstifte der Schaltungsanordnung sind somit von einer Metallmassefläche umgeben, um eine koaxiale Luftleitungsstruktur zu schaffen, welche die Induktivität beseitigt, die freiliegenden An­ schlußstiften zugeordnet ist.
Die Abmessungen des Masseflächenlochdurchmessers können op­ timiert werden, um die Reflexionen zu hohen Frequenzen hin für Übergänge entweder zu einer gedruckten Schaltungsplatine oder einem SMA-Verbinder zu minimieren. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel wurde für die Anschlußstifte ein Durchmesser von 0,58 mm (0,020 Zoll) ausgewählt, da dies eine handelsüb­ lich erhältlich PGA-Größe ist, und dies ferner der korrekte Durchmesser ist, um mit einem SMA-Verbinder zusammenzupas­ sen. Die Anschlußstifte sind auf der oberen Seite des Sub­ strats mit der Schaltung elektrisch und mechanisch verbun­ den, um einen größeren Zwischenraum zwischen dem Loch durch die Metallmasse und dem Anschlußstift zu ermöglichen. Es kann eine Schulter mit einem ein wenig größeren Durchmesser (ca. 0,71 mm = 0,028 Zoll) verwendet werden, um den vor­ stehenden Teil des Anschlußstiftes durch das Substrat einzu­ stellen, ohne diesen Zwischenraum deutlich zu beeinträchti­ gen. Das Substrat ist ein 0,635 mm (0,025 Zoll) dickes Alu­ miniumoxidsubstrat, wobei jedoch auch ein dickeres oder dün­ neres Aluminiumoxid verwendet werden kann, ebenso wie andere Keramikmaterialien oder sogar organische gedruckte Schal­ tungsplatinen verwendet werden können. Die koaxiale Luftlei­ tungsstruktur weist ferner eine ausgezeichnete elektrische Isolation auf, wodurch ein weiterer Nachteil des Standard- PGA-Gehäuses beseitigt wird.
Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel mit niedriger Induk­ tivität dar. Dort wo eine elektrische Masse mit sehr niedri­ ger Induktivität benötigt wird, oder dort wo ein IC angeord­ net ist, der beträchtliche Wärmemengen ableitet, ist das Aluminiumoxidsubstrat mittels eines Lasers weggearbeitet, wobei der IC direkt an einem Metallsockel befestigt werden kann, der in die Basisplatte gearbeitet ist.
Fig. 3A und 3B stellen ein Ausführungsbeispiel mit Mehrfach­ isolation dar. Fig. 3A stellt die Schaltungsanordnung 16 mit leitfähigen Durchführungen zu dem oberen Teil dar. Fig. 3B ist eine Unteransicht des Deckels 20, die die Hohlräume für eine elektrische Isolation zeigt. Um eine hohe Isolation zwischen den unterschiedlichen Regionen der Schaltung zu er­ reichen, und um eine gute elektrische Masse für den Deckel zu schaffen, sind mittels eines Lasers Löcher (typischerwei­ se mit einem Durchmesser von 0,2032 mm = 0,008 Zoll) in das Aluminiumoxid gearbeitet und mit einem guten Leiter ausge­ füllt, um die Massefläche nach oben zu dem oberen Teil des Substrats zu bringen. Wenn der Deckel 20 befestigt ist, sind die verschiedenen Hohlräume, die der Deckel definiert, in einem hohen Maße voneinander elektrisch isoliert. Die schma­ le Breite des zentralen HF-Kanals erzeugt einen Wellenleiter über die Grenzfrequenz für die Betriebsfrequenzen hinaus, wodurch eine hohe Isolation zwischen dem HF-Eingang und dem Ausgang geschaffen wird.
Das Aluminiumoxidsubstrat ist an der Basisplattenvorform und dem Deckel mittels Epoxidharzvorformen befestigt, um den Aufbau zu erleichtern, und um die Auswirkungen der Fehlan­ passung der thermischen Ausdehnung zwischen der Basisplatte, dem Aluminiumoxidsubstrat und dem Deckel abzuschwächen.
Fig. 4A-C stellen ein vollständig angeordnetes Modul dar. Ein Vorteil des Gehäuses besteht darin, daß bereits viele kraftfrei einzuführende Fassungen zum Testen der PGA-Gehäuse existieren. Durch korrektes Entwerfen der Anordnungen können dieselben völlig kompatibel mit diesen Fassungen hergestellt werden, und dieselben können bis zu Frequenzen von 200 MHz ziemlich genau und schnell funktionsmäßig getestet werden.
Nach dem Aufbau wird das Gehäuse mit einer gedruckten Schal­ tungsplatine bzw. Leiterplatte verschraubt. Eine erste elek­ trisch leitfähige, nachgiebige Dichtung ist zwischen dem Ge­ häuse bzw. der Packungsanordnung und der gedruckten Schal­ tungsplatine plaziert, um eine durchgehende Masseverbindung zwischen dem oberen Teil der gedruckten Schaltungsplatine und dem unteren Teil der Anordnung zu schaffen. Die PGA- Stifte der Schaltungsanordnung werden dort an die Rückseite der gedruckten Schaltungsplatine gelötet, wo die PGA-Stifte durch dieselbe hervorstehen. Eine Rückplatte, welche mit Ge­ winden versehen ist, um die SMA-Verbinder wenn nötig aufzu­ nehmen, wird dann mit der Hinterseite der gedruckten Schal­ tungsplatine verschraubt, wobei sich eine zweite elektrisch leitfähige, nachgiebige Dichtung zwischen derselben und der gedruckten Schaltungsplatine befindet. Die HF-Signale können auf abgeschirmten Innenschichtleiterbahnen der gedruckten Schaltungsplatine in das Modul gebracht werden, falls eine hohe Isolation erforderlich ist.

Claims (3)

1. Ein Gehäuse (10) mit folgenden Merkmalen:
einer Grundplatte (14);
einem Substrat (16) mit Anschlußstiften, wobei das Substrat (16) in dem Gehäuse angeordnet ist;
einem vorgeformten Grundplattenelement (12), das zwi­ schen der Grundplatte und dem Substrat positioniert ist, das wirksam ist, um die unterschiedliche ther­ mische Ausdehnung auszugleichen, und um die Grundplatte und das Substrat elektrisch mit der Masse zu verbinden;
einem Deckel (20);
einem vorgeformten Deckelelement (18), das zwischen dem Substrat und dem Deckel positioniert ist, um die unter­ schiedliche thermische Ausdehnung auszugleichen, und um das Substrat und den Deckel elektrisch mit der Masse zu verbinden.
2. Ein Gehäuse nach Anspruch 1, bei dem die Grundplatte eine Metallfläche und Bohrungen aufweist, wobei sich die Anschlußstifte des Substrats beabstandet zu der Me­ tallfläche durch die Bohrungen erstrecken.
3. Ein Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, mit
einer Leiterplatte mit Bohrungen, wobei das Gehäuse auf der Leiterplatte positioniert ist, und die Anschluß­ stifte durch die Bohrungen hervorstehen;
einer ersten nachgiebigen Dichtung, die elektrisch leitfähig ist, die zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuse positioniert ist, die wirksam ist, um eine durchgehende Masseverbindung zwischen der Leiterplatte und dem Substrat zu schaffen;
einer Mehrzahl von Lötstellen, die wirksam sind, um die Anschlußstifte an der Leiterplatte zu befestigen;
einer rückwärtigen Platte, die an der Leiterplatte be­ festigt ist; und
einer zweiten nachgiebigen Dichtung, die elektrisch leitfähig ist, und die zwischen der Leiterplatte und der rückwärtigen Platte positioniert ist, um eine Mas­ severbindung herzustellen.
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