DE60024684T2 - Selbstausrichtender uebergang zwischen einer uebertragungsleitung und einem modul - Google Patents

Selbstausrichtender uebergang zwischen einer uebertragungsleitung und einem modul Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden eines selbstausrichtenden Übergangs zwischen einer Übertragungsleitung und einem Modul, das an die Übertragungsleitung angeschlossen sein soll. Die Erfindung betrifft ebenso ein derartiges Modul, eine derartige Übertragungsleitung, ein Zwischenelement, das möglicherweise zwischen einem derartigen Modul und einer derartigen Übertragungsleitung angeordnet sein soll, und schließlich ein System, das einen derartigen Übergang umfaßt.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Übergänge zwischen Übertragungsleitungen und anderen Modulen sind in diversen Systemen eingesetzt. Eine übliche Verbindung ist beispielsweise ein Wellenleiter-Mikrostrip-Übergang. Gewöhnlich sind die Anforderungen an die Präzision der Verbindung hoch, da auch kleine Abweichungen die Leistung herabsetzen und zu einem erheblichen Einfügungsverlust führen. Insbesondere Wellenleiter-Mikrostrip-Übergänge sind für Geometriefehler äußerst empfindlich. Simulationen zeigen, daß eine Längendifferenz von nur 50 Mikrometer in einem Mikrostrip zu einer Einfügungsverlusterhöhung von 0,5 dB bis 1,2 dB führen kann.
  • In der Praxis sind Übertragungsleitungen und andere Module zur Bereitstellung des benötigten Übergangs mechanisch verbunden. Zu diesem Zweck werden Schraub-, Löt- oder ähnliche Verfahren eingesetzt. Derartige Verfahren führen jedoch zu eher ungenauen Ergebnissen, und die Toleranzen können ziemlich groß sein, so daß die Anforderungen nicht zufriedenstellend erfüllt sein können. Das mechanische Verbinden von Übertragungsleitungen mit anderen Modulen bildet außerdem eine äußerst schwierige und langwierige Zusammenbauphase. Zudem sind Spezialwerkzeuge wie Justiergeräte und CAE-Werkzeuge erforderlich.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das eine einfache und präzise Verbindung einer Übertragungsleitung mit einem anderen Modul gestattet, ein Modul bereitzustellen, das leicht und präzise mit einer Übertragungsleitung verbunden sein kann, ein Zwischenelement bereitzustellen, das für eine leichte und präzise Verbindung eines Moduls mit einer Übertragungsleitung genutzt sein kann, und ein System bereitzustellen, das den Übergang einer Übertragungsleitung zu einem Modul umfaßt, der durch eine präzise Verbindung ausgebildet ist.
  • Diese Aufgabe wird einerseits durch ein Verfahren zum Ausbilden eines selbstausrichtenden Übergangs zwischen einer Übertragungsleitung und einem Modul, das mit der Übertragungsleitung verbunden sein soll, umfassend die Schritte von einem der Ansprüche 1 oder 2, gelöst.
  • Andererseits wird die Aufgabe durch ein Modul, das zum Ausbilden eines selbstausrichtenden Übergangs zu einer Übertragungsleitung bestimmt ist und die Merkmale von Anspruch 5 aufweist, ein Zwischenelement, das die Merkmale von Anspruch 10 aufweist, und eine Übertragungsleitung, die zum Ausbilden eines selbstausrichtenden Übergangs zu einem Modul bestimmt ist und die Merkmale eines der Ansprüche 11 oder 12 aufweist, gelöst.
  • Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung durch ein System, das die Merkmale eines der Ansprüche 14 oder 15 aufweist, gelöst.
  • Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß eine präzise Verbindung zwischen einer Übertragungsleitung und einem anderen Modul durch Ausnutzen des Verhaltens von Lötpartikeln unter Reflow-Behandlung verwirklicht sein kann. Es ist dem Fachmann bekannt, daß Lötkugeln und andere Lötpartikeln aufgrund des Oberflächenspannungsphänomens des Lötmaterials unter Reflow-Behandlung selbstausrichtend sind. Dementsprechend wird unter Reflow-Behandlung eine leichte Versetzung durch die Oberflächenspannungskräfte korrigiert, wodurch es unnötig wird, jegliche zusätzliche Ausrichtungsvorgänge anzuwenden. Durch Anwenden eines Reflow-Lötens von Lötpartikeln für Übergänge zwischen Übertragungsleitungen und Modulen, wie von der Erfindung vorgeschlagen, kann eine sehr präzise Verbindung zwischen Übertragungsleitung und Modul erzielt sein, wodurch die resultierenden Einfügungsverluste erheblich reduziert sind.
  • Das vorgeschlagene Verfahren und das/die entsprechende Modul, Übertragungsleitung, Zwischenelement und System sind außerdem kostengünstiger als die im Stand der Technik bekannten, da neben der einfachen Reflow-Behandlung keine zusätzlichen Werkzeuge und Arbeitsphasen erforderlich sind, die außerdem bei den Verfahren gemäß dem Stand der Technik ausgeführt sein sollten.
  • Es sind zwei Grundalternativen für das Verfahren, das Modul, die Übertragungsleitung und das System gemäß der Erfindung vorgeschlagen, wobei sich beide Alternativen auf das oben beschriebene Prinzip stützen. Gemäß der ersten Alternative sind Modul und Übertragungsleitung direkt miteinander verbunden oder zur direkten Verbindung miteinander bestimmt. Gemäß der zweiten Alternative sind Modul und Übertragungsleitung über ein Zwischenelement, z.B. eine Leiterplatte, miteinander verbunden oder dazu bestimmt. Die zweite Alternative weist den Vorteil einer erleichterten Aufbringung der Lötaugen und einer erleichterten Verbindung durch Reflow-Löten auf.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung können aus den Unteransprüchen entnommen werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung werden die Lötaugen unter Benutzung einer Lötmaske, insbesondere durch Benutzung eines photolithographischen Musterverfahrens, bereitgestellt. Der Einsatz eines derartigen Verfahrens ergibt eine besonders gute Genauigkeit, wenn das Modul und die Übertragungsleitung bzw. das Zwischenelement durch Reflow-Löten verbunden werden. Wenn ein Zwischenelement eingesetzt ist, kann dieses Element mechanisch an der Übertragungsleitung befestigt sein, z.B. durch Schrauben.
  • Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und den vorgeschlagenen Elementen, kann jedes Modul – Systemmodul oder einzelner Chip – mit guter Genauigkeit an einer Übertragungsleitung angebracht werden. Die Erfindung zielt insbesondere auf das Anbringen eines Mikrostrips, wie einer Stripline, eines koplanaren Wellenleiters oder dergleichen, oder eines Sender-Empfänger- oder ähnlichen Moduls ab, da diese Verbindungen eine besondere Positionierungsgenauigkeit erfordern. Wenn die Übertragungsleitung ein Wellenleiter ist, kann er jeglichen erforderlichen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen rechteckigen, einen gezahnten oder einen kreisförmigen Querschnitt.
  • Die Lötpartikeln, die auf dem Modul vorgesehen sind, können Ball Grid Array (BGA), Column Grid Array (CGA) oder sogar Flip-Chips sein, wenn nur ein einzelner Chip anstelle eines ganzen Systemmoduls angebracht ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detaillierter beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung; und
  • 2 schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 stellt das Prinzip der Erfindung dar. Zu diesem Zweck zeigt sie eine Schnittansicht der Elemente gemäß der Erfindung vor dem Verbinden.
  • Ein teilweise dargestellter Wellenleiter 1 bildet die Übertragungsleitung des Systems. An seinem offenen Ende 3 weist der Wellenleiter 1 einen vergrößerten Rand 4 auf, auf dem ein Zwischenelement 5 mit einer mittigen Öffnung befestigt wurde.
  • Über dem offenen Ende 3 des Wellenleiters 1 ist ein einfaches Mikrostripgefüge 2 dargestellt. Dieser Mikrostrip 2 repräsentiert ein Systemmodul, das mit dem Wellenleiter 1 verbunden werden soll. Der Mikrostrip 2 weist eine Öffnung 6 in seiner Masseplatte 7 auf, durch das er an das offene Ende 3 des Wellenleiters 1 gekuppelt werden soll, um einen Übergang auszubilden.
  • Der Mikrostrip 2 ist an seiner Masseplatte 7 mit Lötkugeln 8 in einer Ball Grid Array (BGA) oder einer ähnlichen Zusammenfügungstechnik versehen, wobei die Lötkugeln 8 eng um die Öffnung 6 in der Masseplatte 7 angeordnet sind.
  • Auf dem Zwischenelement 5 sind Lötaugen (nicht gezeigt) ausgebildet, die unter Verwendung einer Lötmaske der Anordnung der Lötkugeln 8 entsprechen. Die Lötmaskenfestlegung erfolgt unter Verwendung photolithographischen Musterns.
  • Im Anschluß an die in 1 dargestellte Situation wird der Mikrostrip 2 so auf dem Wellenleiter 1 angeordnet, daß die Lötkugeln 8 auf den Lötaugen des Zwischenelements 5 zu ruhen kommen. Danach wird ein Reflow-Lötvorgang ausgeführt, wodurch der Mikrostrip 2 mit dem Zwischenelement 5 und dadurch mit dem Wellenleiter 1 kombiniert wird.
  • Durch diesen Vorgang ist der Wellenleiter 1 mit sehr guter Genauigkeit an dem Mikrostrip 2 angebracht. Selbst wenn die ursprüngliche Anordnung des Mikrostrips 2 auf dem Zwischenelement 5 etwas ungenau war, stellt der Lötvorgang den Mikrostrip 2 wegen der Oberflächenspannung des Lötmaterials exakt auf die richtige Stelle ein.
  • Die zweite Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, stellt ein komplexeres System gemäß der Erfindung mit einem ganzen Systemmodul, das zum Ausbilden eines Wellenleiter-Mikrostrip-Übergangs mit einem Wellenleiter verbunden ist, dar. Entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet.
  • An der Unterseite von 2 ist ein aus Aluminium gebildeter Wellenleiter 1 dargestellt. Der Wellenleiter 1 ist mit einem inerten Metall wie etwa Gold belegt, um eine verlustarme Charakteristik zu erhalten.
  • Eine FR4-Leiterplatte (ein heißfixiertes „thermoset" Glasfaser-Epoxid-Laminat) 5, das eine mittige Öffnung umfaßt, bildet das Zwischenelement des Systems und ist mit Schrauben 9 an dem Rand 4 des offenen Endes 3 des Wellenleiters 1 angebracht. Der Rand 4 des Wellenleiters 1, die Leiterplatte 5 und die Löcher für die Schrauben in beiden sind so gestaltet, daß sie eine definierte relative Position zwischen dem Wellenleiter 1 und der Leiterplatte 5 garantieren, wenn sie befestigt sind. Auf der FR4-Leiterplatte 5 ist ein Keramikmodul 2 mit einer Kovar-Abdeckung 10 durch BGA-Lötkugeln 8 angebracht. Eine Öffnung 6 in der Masseplatte 7 des Moduls 2 ist genau über der Öffnung des Wellenleiters 1 an seinem offenen Ende 3 positioniert.
  • Das System wurde folgendermaßen zusammengesetzt:
    Das Keramikmodul 2 wurde mit BGA-Lötkugeln 8 und die FR4-Leiterplatte 5 mit einer entsprechenden Anordnung von Lötaugen versehen. Daraufhin wurde die FR4-Leiterplatte 5 durch Reflow mit dem Keramikmodul 2 verlötet. Erst danach wurde die ganze, aus dem Modul 2 und der Leiterplatte 5 gebildete Gesamtheit auf dem Wellenleitergefüge 1 angeordnet. Schließlich wurde die mit dem Keramikmodul 2 kombinierte Leiterplatte 5 mit Schrauben 9 an dem Wellenleitergefüge 1 angebracht.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Bilden eines selbstausrichtenden Übergangs zwischen einer Übertragungsleitung (1) und einem Modul (2), das an die Übertragungsleitung (1) angeschlossen sein soll, folgende Schritte umfassend: a) Versehen des Moduls (2) mit einer Anordnung von Lötpartikeln (8) in einem Bereich, der für die Verbindung des Moduls (2) mit der Übertragungsleitung (1) bestimmt ist; b) Versehen des Rands (4) eines offenen Endes (3) der Übertragungsleitung (1), der für die Verbindung mit dem Modul (2) bestimmt ist, mit einer Anordnung von Lötaugen, die der Anordnung von Lötpartikeln (8) auf dem Modul (2) entspricht; c) Anordnen des Moduls (2) mit seinen Lötpartikeln (8) auf den Lötaugen und Verbinden des Moduls (2) mit dem Rand (4) des offenen Endes (3) der Übertragungsleitung (1) durch Reflow-Löten.
  2. Verfahren zum Bilden eines selbstausrichtenden Übergangs zwischen einer Übertragungsleitung (1) und einem Modul (2), das an die Übertragungsleitung (1) angeschlossen sein soll, folgende Schritte umfassend: a) Versehen des Moduls (2) mit einer Anordnung von Lötpartikeln (8) in einem Bereich, der für die Verbindung des Moduls (2) mit der Übertragungsleitung (1) bestimmt ist; b) Versehen eines Zwischenelements (5), das an dem Rand (4) eines offenen Endes (3) der Übertragungsleitung (1), welcher für die Verbindung mit dem Modul (2) bestimmt ist, befestigt ist oder dazu geeignet ist, daran befestigt zu sein, mit einer Anordnung von Lötaugen, die der Anordnung von Lötpartikeln (8) auf dem Modul (2) entspricht; c) Anordnen des Moduls (2) mit seinen Lötpartikeln (8) auf den Lötaugen und Verbinden des Moduls (2) mit dem Zwischenelement (5) durch Reflow-Löten; und d) falls das Zwischenelement (5) nicht an der Übertragungsleitung (1) befestigt ist, Befestigen des Zwischenelements (5) mit seiner den Lötaugen gegenüberliegenden Seite an der Übertragungsleitung (1).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt d) das Zwischenelement (5) mechanisch, insbesondere durch Schrauben, an der Übertragungsleitung (1) befestigt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) die Lötaugen durch Benutzen einer Lötmaske, insbesondere durch Benutzung eines photolithographischen Maskierungsverfahrens, bereitgestellt werden.
  5. Modul (2), das zum Bilden eines selbstausrichtenden Übergangs zu einer Übertragungsleitung (1) bestimmt ist und mit einer Anordnung von Lötpartikeln (8) versehen ist, die geeignet sind, mit Lötaugen übereinzustimmen und durch Reflow-Löten daran gelötet zu sein, welche auf dem Rand (4) eines offenen Endes (3) einer Übertragungsleitung (1) angeordnet sind, die zur Verbindung mit einem Modul (2) oder einem Zwischenelement (5) bestimmt ist, welches an einem derartigen Rand (4) einer Übertragungsleitung (1) befestigt ist oder dazu geeignet ist, daran befestigt zu sein.
  6. Modul (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Mikrostrip, insbesondere eine Stripline oder ein koplanarer Wellenleiter, mit einer Öffnung (6) in der Masseplatte zum Ausbilden eines Übergangs zu einer Übertragungsleitung (1) ist, wobei die Lötpartikeln (8) so angeordnet sind, daß sie die Öffnung (6) umgeben.
  7. Modul (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Sender-Empfänger-Modul ist.
  8. Modul (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Systemmodul oder ein einzelner Chip ist.
  9. Modul (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötpartikeln (8) vom Typ Ball Grid Array (BGA), Column Grid Array (CGA) oder Flip-Chips sind.
  10. Zwischenelement (5), das am Rand (4) eines offenen Endes (3) einer Übertragungsleitung (1) befestigt ist oder dazu geeignet ist, daran befestigt zu sein, welche zur Verbindung mit einem Modul (2) bestimmt ist, und eine Anordnung von Lötaugen umfaßt, die dazu geeignet sind, mit Lötpartikeln (8) übereinzustimmen und durch Reflow-Löten daran gelötet zu sein, welche auf einem Modul (2) angeordnet sind, das mit der Übertragungsleitung (1) verbunden sein soll, wodurch ein selbstausrichtender Übergang ausgebildet ist.
  11. Übertragungsleitung (1), an der ein Zwischenelement (5) nach Anspruch 10 durch Schrauben befestigt ist oder dazu geeignet ist, daran befestigt zu sein, wobei die Übertragungsleitung (1) dazu bestimmt ist, mit einem Modul (2) einen selbstausrichtenden Übergang auszubilden.
  12. Übertragungsleitung (1), die zum Ausbilden eines Übergangs mit einem Modul (2) bestimmt ist und auf einem Rand (4) eines offenen Endes (3), welcher zur Verbindung mit einem derartigen Modul (2) bestimmt ist, eine Anordnung von Lötaugen umfaßt, die dazu geeignet sind, mit Lötpartikeln (8), die auf einem derartigen Modul (2) angeordnet sind, übereinzustimmen und durch Reflow-Löten daran gelötet zu sein.
  13. Übertragungsleitung (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Wellenleiter ist.
  14. System, umfassend eine Übertragungsleitung (1) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, die durch Reflow-Löten mit einem Modul (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 9 verbunden ist.
  15. System, umfassend eine Übertragungsleitung (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 13, die durch Reflow-Löten über ein Zwischenelement (5) nach Anspruch 10 mit einem Modul (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 9 verbunden ist.
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