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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Schaltvorrichtungen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die verbesserte
Kapselung und Schaltungsintegration für elektromagnetische Vorrichtungen
wie z.B. Reed-Schalter
und elektromagnetische Vorrichtungen wie z.B. Reed-Relais.
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Elektromagnetische
Relais waren in der Elektronikindustrie für viele Jahre bekannt. Solche elektromagnetischen
Relais umfassen das Reed-Relais, das einen Reed-Schalter beinhaltet.
Ein Reed-Schalter ist eine magnetisch aktivierte Vorrichtung, die
typischerweise zwei flache Kontaktzungen umfaßt, die in einem hermetisch
abgedichteten Glasrohr vereinigt sind, das mit einem Schutzinertgas oder
Vakuum gefüllt
ist. Der Schalter wird durch ein extern erzeugtes Magnetfeld entweder
von einer Spule oder einem Permanentmagneten betätigt. Wenn das externe Magnetfeld
aktiviert wird, ziehen die überlappenden
Kontaktzungenenden einander an und kommen schließlich in Kontakt, um den Schalter
zu schließen.
Wenn das Magnetfeld entfernt wird, entmagnetisieren sich die Kontaktzungen
und federn zurück,
um in ihre Ruhepositionen zurückzukehren,
wodurch folglich der Schalter geöffnet
wird.
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Reed-Schalter,
die durch eine Magnetspule betätigt
werden, sind typischerweise innerhalb einer Haspel oder eines spulenartigen
Elements untergebracht. Eine Drahtspule ist um das Äußere der
Haspel gewickelt und mit einer Quelle für elektrischen Strom verbunden.
Der durch die Spule fließende Strom
erzeugt das gewünschte
Magnetfeld, um den Reed-Schalter innerhalb des Haspelgehäuses zu
betätigen.
Einige Anwendungen von Reed-Vorrichtungen erfordern, daß der Schalter
Signale mit Frequenzen oberhalb 500 MHz überträgt. Für diese Anwendungen ist ein
Erdungsabschirmungsleiter, der üblicherweise
aus Kupfer oder Messing besteht, um den Körper des Reed-Schalters angeordnet.
Der Erdungsabschirmungsleiter liegt üblicherweise in einer zylindrischen
Gestalt vor. Der Abschirmungsleiter befindet sich zwischen dem Reed-Schalter
und dem Haspelgehäuse,
um ein koaxiales Hochfrequenz-Übertragungssystem
zu bilden.
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Dieses
koaxiale System umfaßt
den äußeren Abschirmungsleiter
und den Schalter-Zuleitungssignalleiter koaxial durch die Mitte
des Reed-Schalters. Der Erdungsabschirmungsleiter wird verwendet,
um das Signal durch den Schalterleiter einzuschließen, um
die gewünschte
Impedanz des Signalweges aufrechtzuerhalten.
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Derzeit
erhältliche
Reed-Vorrichtungen werden dann von Benutzern in eine gegebene Schaltungsumgebung
integriert. Zur Anwendung bei höheren
Frequenzen muß eine
Reed-Schaltervorrichtung ideal konfiguriert sein, so daß sie so
eng wie möglich den
gewünschten
Impedanzanforderungen der Schaltung, in der sie installiert ist,
entspricht.
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Innerhalb
einer Schaltungsumgebung ist eine koaxiale Anordnung in der gesamten
Umgebung bevorzugt, um die Schaltungsintegrität und die gewünschte abgeglichene
Impedanz aufrechtzuerhalten. Wie vorstehend angegeben, umfaßt der Körper eines
Reed-Schalters die erforderliche koaxiale Umgebung. Außerdem umfaßt die Signalleiterbahn
auf der Leiterplatte des Benutzers üblicherweise einen "Wellenleiter", wo sich zwei Erdungszuleitungen
auf entgegengesetzten Seiten der Signalzuleitung und in derselben
Ebene befinden, oder einen "Streifenleiter", wo sich eine Masseebene
unter der Ebene des Signalleiters befindet. Diese Verfahren sehen
korrekt verwendet eine zweidimensionale koaxialartige Umgebung vor,
die zum Aufrechterhalten der gewünschten
Impedanz für
eine korrekte Schaltungsfunktion annehmbar ist.
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Die
Reed-Schaltervorrichtung muß jedoch physikalisch
verkappt und elektrisch mit einer Leiterplatte verbunden werden,
die eine gegebene Schaltungskonfiguration trägt. Es ist üblich, die Abschirmungs- und
Signalanschlüsse
mit einer Leiterrahmenarchitektur abzuschließen und die gesamte Anordnung
in einem dielektrischen Material wie Kunststoff zur Erleichterung
der Herstellung und Verkappung einzuschließen. Diese Zuleitungen können in einer
Flügel-
oder "J"-Form zur Oberflächenmontagefähigkeit
ausgebildet werden. Die Signalzuleitungen oder -anschlüsse treten
aus dem Reed-Schalterkörper
und in die Luft aus, um die elektrische Verbindung mit der Leiterplatte
herzustellen. Dieser Übergang
der Signalzuleitungen vom Kunststoffdielektrikum in die Luft erzeugt
eine unerwünschte
Diskontinuität
der koaxialen Schutzumgebung, die innerhalb des Körpers des
Schalters selbst zu finden ist. Eine solche Diskontinuität erzeugt
eine Ungenauigkeit und Unsicherheit in der Impedanz der Reed-Schaltervorrichtung.
Folglich müssen
Schaltungsentwickler dieses Problem durch spezifisches Entwerfen
ihrer Schaltungen kompensieren, um den innewohnenden Problemen,
die mit der Diskontinuität
der koaxialen Schutzumgebung und der Verschlechterung der Nennimpedanz
der Reed-Schaltervorrichtung verbunden sind, Rechnung zu tragen
und diese vorauszusehen. Die Schaltung kann beispielsweise abgestimmt
werden, um die Diskontinuität
zu kompensieren, indem eine parasitäre Induktivität und Kapazität hinzugefügt werden.
Dieses Verfahren der Diskontinuitätskompensation ist nicht bevorzugt,
da es den Entwurfsprozeß kompliziert
macht und verlangsamt und die Integrität der Schaltung verschlechtern
kann. Es besteht ein Bedarf, den Bedarf zu verringern, die Schaltung
abzustimmen, wie vorstehend beschrieben. Der Stand der Technik verwendet
eine Struktur von sorgfältig
ausgelegten Kontaktlöchern,
die teuer und schwierig herzustellen sind, um die Impedanz des Übergangs
vom Relais zur Platine zu steuern.
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US-A-6
052 045 offenbart einen Reed-Schalterbaustein, der einen Reed-Schalter
mit mindestens einem Weg für
elektrische Signale umfaßt.
Eine zylindrische Erdungsabschirmung ist um den Reed-Schalter vorgesehen.
Erdungsanschlüsse
sind mit entgegengesetzten Seiten der Erdungsabschirmung verbunden,
so daß sich
die Erdungsanschlüsse
auf entgegengesetzten Seiten des Signalanschlusses befinden und
in derselben Ebene liegen. Der Reed-Schalter befindet sich auf einem
Trägersubstrat.
Ein elektrisch leitendes Signalkontaktloch erstreckt sich durch
den Hauptkörper
und verbindet mit dem Signalanschluß. Erdungskontaktlöcher erstrecken
sich durch den Hauptkörper
und verbinden jeweils mit den Erdungsanschlüssen. Die Erdungskontaktlöcher befinden
sich auf entgegengesetzten Seiten des Signalkontaktlochs und liegen
in derselben Ebene wie das Signalkontaktloch. Das Signal- und das
Erdungskontaktloch treten an der Unterseite des Hauptkörpers aus
und sind mit einer Schaltung über
Lötkugeln
verbunden, um einen kompakten Oberflächenmontagebaustein mit einer gesteuerten Impedanzumgebung
bereitzustellen. US-A-4 286 241 offenbart einen Reed-Schalter, der
in einem elektrisch leitenden röhrenförmigen Element
montiert ist, um einen koaxialen zentralen Leiter zu bilden, wobei das
röhrenförmige Element
und der zentrale Leiter eine koaxiale Leitung mit einer vorbestimmten
Impedanz dazwischen bilden. Dieser Reed-Schalter und das röhrenförmige Element
sind innerhalb einer Spule montiert, um ein Reed-Relais zu bilden.
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Angesichts
des vorangehenden besteht ein Bedarf für eine Reed-Schaltervorrichtung, die eine gesteuerte
Impedanzumgebung durch den gesamten Körper des Bausteins zur Verbindung
mit einer Schaltung umfaßt.
Es besteht ein spezieller Bedarf, daß eine Reed-Schaltervorrichtung
kompakt ist und ein niedriges Profil zur Installation in kleinen
Räumen und
zur Leiterplattenstapelung aufweist. Es besteht ein weiterer Bedarf
für Reed-Schaltervorrichtungen, die
eine Oberflächenmontagekonfiguration
aufweisen, um die Hochfrequenz der Leistung des Systems zu optimieren.
Ferner besteht ein Bedarf für
eine Reed-Schaltervorrichtung,
die den Bedarf für
die Abstimmung einer Schaltung zur Kompensation einer ungesteuerten
Impedanzumgebung verringern kann. Es besteht auch ein Bedarf für eine Reed-Schaltervorrichtung,
die für
die vereinfachte Herstellung und Installation eine kleine Montagefläche aufweist
und eine Standardform und -konfiguration aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung nach Anspruch 1 bewahrt die Vorteile von elektromagnetischen
Schaltervorrichtungen des Standes der Technik wie z.B. Reed-Relais.
Außerdem
stellt sie neue Vorteile bereit, die in derzeit erhältlichen
Schaltvorrichtungen nicht zu finden sind, und beseitigt viele Nachteile
von solchen derzeit erhältlichen
Vorrichtungen.
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Die
Erfindung richtet sich im Allgemeinen auf den neuen und einzigartigen
Reed-Vorrichtungsbaustein
mit spezieller Anwendung beim wirksamen Verbinden eines Reed-Vorrichtungsbausteins
mit einer Schaltung auf einer Leiterplatte in einer Konfiguration mit
niedrigem Profil. Der Reed-Vorrichtungsbaustein der vorliegenden
Erfindung ermöglicht
die effiziente und wirksame Verbindung mit einer Leiterplatte, während er
in einer kostengünstigen
Konstruktion vorliegt.
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Eine
neue elektromechanische Vorrichtung wird bereitgestellt, die sich
an einem Relaissubstrat anbringen läßt, um ein an der Platine montierbares Reed-Relais
mit niedrigem Profil zu bilden. Ein Teil des Reed-Relais erstreckt
sich durch eine Öffnung
im Relais-Substrat. Das Substrat umfaßt eine Reihe von elektrischen
Kontakten, wie z.B. eine Lötkugelmatrix (BGA),
eine Kontaktfleck-Gittermatrix (LGA), eine Spaltengittermatrix (CGA)
oder eine Anschlußstiftmatrix
(PGA), die auf derselben Seite des Substrats montiert sind, an der
das Relais angebracht ist, um mit der Hauptleiterplatte elektrisch
zu verbinden. Das Reed-Relais selbst ist direkt mit den elektrischen Kontakten über Signalleiterbahnen
und zusätzliche elektrische
Leiterbahnen, die sich an der Unterseite des Relaissubstrats befinden
und die mit der Abschirmung des Relais verbinden, elektrisch verbunden. Diese
zusätzlichen
Leiterbahnen sind in einer parallelen Position auf beiden Seiten
der Signalleiterbahnen geführt,
um einen koplanaren Wellenleiter bereitzustellen, um die gewünschte Impedanz
des Signalweges aufrechtzuerhalten. Das Reed-Relaissubstrat ist in einem Ausschnitt
in der Hauptleiterplatte in einer umgekehrten Weise montiert, so
daß ein
Teil des Reed-Relais, der sich nicht innerhalb der Substrataussparung
befindet, innerhalb eines Ausschnitts in der Hauptleiterplatte sitzt.
Folglich ist die Reed-Relais-Komponente unter die Oberfläche der
Hauptleiterplatte versenkt, was zu einer Leiterplatte mit insgesamt
niedrigem Profil führt.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten
Reed-Vorrichtungsbaustein
mit niedrigem Profil bereitzustellen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reed-Vorrichtungsbaustein
mit einer gesteuerten Impedanzumgebung im gesamten Baustein bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reed-Vorrichtungsbaustein
bereitzustellen, der leicht an die Impedanz einer existierenden
Schaltungsumgebung angepaßt
wird.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines Reed-Vorrichtungsbausteins, der in der Lage ist, Hochfrequenzsignale effizient
zu leiten.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reed-Vorrichtungsbaustein
bereitzustellen, der kostengünstig
herzustellen ist, indem er nicht die Verwendung von plattierten
Durchgangslöchern
erfordert.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Reed-Vorrichtungsbaustein mit
einer kleinen Montagefläche
bereitzustellen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines Reed-Vorrichtungsbausteins, der leicht an einer Hauptleiterplatte
an der Oberfläche
montiert werden kann.
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Die
neuen Merkmale, die für
die vorliegende Erfindung charakteristisch sind, sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung zusammen mit weiteren Aufgaben und zugehörigen Vorteilen
werden jedoch am besten durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche
Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen verstanden,
in denen gilt:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Reed-Relais-Konfiguration des
Standes der Technik;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht einer Reed-Relaisvorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht einer Reed-Relaisvorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, das in 2 gezeigt
ist, in auseinandergezogener Anordnung;
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4 ist
eine perspektivische Unteransicht des Trägersubstrats gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 ist
eine Draufsicht auf das Trägersubstrat
gemäß der vorliegenden
Erfindung von unten;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht einer Leiterplatte zur Aufnahme des
Trägersubstrats
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 ist
eine perspektivische Ansicht des Trägersubstrats, das in der in 6 gezeigten
Leiterplatte installiert ist;
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8 ist
eine Seitenaufrißansicht
des Trägersubstrats,
das in der in 6 gezeigten Leiterplatte installiert
ist;
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9 ist
eine schematische Darstellung einer Schaltung, die üblicherweise
bei Reed-Relais verwendet wird; und
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10 ist
eine bildhafte Implementierung der in 9 gezeigten
Schaltung.
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Wenn
man sich zuerst 1 zuwendet, ist eine perspektivische
Ansicht einer Reed-Schalterkonfiguration 10 des Standes
der Technik gezeigt. Ein bekannter Reed-Schalter 11 umfaßt eine
Glasumhüllung 12 sowie
zwei Signalzuleitungen 14, die von entgegengesetzten Enden
des Reed-Schalters 11 ausgehen, und Spulenabschlußzuleitungen 15. Die
Konstruktion eines Reed-Schalters 11 ist so gut auf dem
Fachgebiet bekannt, daß deren
Details nicht erörtert
werden müssen.
Ein Abschirmungsleiter 16, der üblicherweise aus Messing oder
Kupfer besteht, ist in Form einer zylindrischen Hülse vorgesehen,
die den Reed-Schalter 11 aufnimmt und unterbringt. Der Reed-Schalter 11 und
die Abschirmung 16 sind innerhalb der zentralen Bohrung 18 einer
Haspel oder Spule 20 aufgenommen. Um die Haspel 20 ist
ein leitender Draht 22 gewickelt. Folglich ist eine koaxiale Anordnung
gebildet, um die Vorrichtung des Reed-Schalters 11 zu schützen und
die Impedanz der Umgebung zu steuern und die gesamte Übertragung
des Signals zu verbessern. Der Reed-Schalter 11, der Abschirmungsleiter 16 und
die Haspel 20 sind im Allgemeinen als in der Konfiguration
zylindrisch gezeigt. Es sollte selbstverständlich sein, daß verschiedene
andere Konfigurationen wie z.B. jene, die im Querschnitt oval sind,
verwendet werden können und
dennoch innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung
liegen.
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Wie
im Stand der Technik verstanden und bekannt sein kann, werden die
freien Enden der Drahtspule 22, der Abschirmung 16 und
der Signalanschlüsse 14 des
Reed-Schalters 11 mit einer Schaltung nach Wunsch elektrisch
verbunden. Die jeweiligen Komponenten der Konfiguration des Reed-Schalters 11 werden
mit einer Schaltung durch einen Leiterrahmen oder eine andere elektrische
Verbindung (nicht dargestellt) verbunden. Der Leiterrahmen oder
die andere elektrische Verbindung führt eine Diskontinuität der gewünschten
koaxialen Umgebung ein.
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Wie
vorstehend beschrieben, muß die
gesamte Reed-Schaltervorrichtung 10 so ausgelegt sein,
daß sie
leicht innerhalb einer Schaltung eines Benutzers untergebracht wird.
Eine Schaltung, die verwendet wird, um bei hoher Frequenz zu arbeiten, ist
beispielsweise mit einer definierten Umgebung einer charakteristischen
Impedanz ausgelegt. Das Ziel des Auslegens und Herstellens einer
Reed-Vorrichtung 10 mit den Spezifikationen eines Schaltungskunden
besteht darin, die gewünschte
Impedanz der Vorrichtung 10 an die Schaltungsumgebung so
eng wie möglich
anzupassen. Es ist bevorzugt, daß keine Diskontinuität der Impedanz
von der Reed-Vorrichtung 10 selbst zu einer Leiterplattenbahn
der Schaltung, die die Vorrichtung 10 aufnimmt, besteht.
Die charakteristische Impedanz Z1 ist im
Allgemeinen eine Funktion des Außendurchmessers des Signalleiters 14,
des Innendurchmessers der Abschirmung 16 und der Dielektrizitätskonstante
der Isolierung (nicht dargestellt) zwischen dem Signalleiter 14 und der
Abschirmung 16.
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Wenn
man sich nun 2–8 zuwendet, ist
das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Mit Bezug auf 2 ist eine
modifizierte Reed-Vorrichtung 103 so vorgesehen, daß sie eine äußere Haspel 102 umfaßt, um die zur
Einführung
des erforderlichen Magnetfeldes zum Betätigen des Reed-Schalters 111 eine
Spule 109 gewickelt ist. Enden des Drahts 109 können mit
Stützen,
Anschlußstiften
oder dergleichen (nicht dargestellt), die mit der Haspel 102 verbunden
sind, verbunden sein, um für
eine elektrische Verbindung des Magnetfeldstroms zu sorgen. Vom
Reed-Schalter 111 gehen zwei Signalzuleitungen 106 aus,
die entgegengesetzten Seiten des Reed-Schalters 111 entsprechen.
Vom Haspelkörper 102 gehen
auch ein Paar von Abschirmungs- oder Erdungsvorsprüngen 108 auf
jeder Seite des Haspelkörpers 102 aus,
die, wie in 6 gezeigt, mit den Enden der
inneren Erdungsabschirmung 110 elektrisch verbunden sind. Wie
in 3, einer perspektivische Ansicht des Reed-Schalters 111 von 2 in
auseinandergezogener Anordnung, gezeigt, sind diese Erdungsvorsprünge 108 Verlängerungen
von der Erdungsabschirmung 110 selbst auf entgegengesetzten
Seiten derselben.
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Insbesondere
umfaßt
der Reed-Schalter 111 einen Signalleiter 106 innerhalb
einer Glaskapsel 126 mit einem Inertgas oder Vakuum 128,
das diesen umgibt. Um die Glaskapsel 126 ist eine Erdungsabschirmung 130 angeordnet,
die vorzugsweise eine zylindrische oder röhrenförmige Gestalt aufweist, jedoch
einen ovalen Querschnitt aufweisen kann, um bestimmte Reed-Schalter 111 oder
mehrere Reed-Schalter in einer Mehrkanalumgebung aufzunehmen. Die
vorangehende Anordnung ist innerhalb der Haspel 102 untergebracht,
die eine Aktivierungsspule 109 umfaßt.
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Mit
Bezug auf 4 ist eine perspektivische Ansicht
eines Reed-Vorrichtungsbausteins 100 gezeigt.
Dieser vollständige
Reed-Vorrichtungsbaustein 100 umfaßt den in 2 und 3 gezeigten Reed-Schalter 111,
der an der Oberfläche 120 eines Trägersubstrats 122 befestigt
ist. Insbesondere umfaßt
das Trägersubstrat
oder die Relaiskarte 122 eine Öffnung 124, die groß genug
ist, um zumindest einen Teil der Haspel oder des Hauptkörpers 102 des Reed-Schalters 111 darin
aufzunehmen, um die Gesamthöhe
des Bausteins 100 zu verringern. Beispielsweise befinden
sich etwa 1/3 des Volumens der Haspel 102 innerhalb der
oberen Sitzöffnung 124 im Trägersubstrat 122.
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Mit
Bezug sowohl auf 4 als auch 5 umfaßt das Trägersubstrat 122 eine
Anzahl von Kontaktstellen 126a–f zum jeweiligen Aufnehmen
der Signalzuleitungen 106 und Erdungszuleitungen 108 der
Reed-Vorrichtung 103. Vorzugsweise sind drei Kontaktstellen 126a, 126b und 126c auf
der linken Seite der oberen Sitzöffnung 124 so
vorgesehen, daß sie
der einzelnen Signalzuleitung 106 und den zwei Erdungszuleitungen 108 auf
der linken Seite des Reed-Schalters 111 entsprechen.
Die entgegengesetzten Kontaktstellen 126d, 126e und 126f sind
auf der rechten Seite der oberen Sitzöffnung 124 so vorgesehen,
daß sie
der einzelnen Signalzuleitung 106 und den zwei Erdungszuleitungen 108 auf
der rechten Seite der Reed-Vorrichtung 103 entsprechen. Kontaktstellen 126g und 126h sind
zum Abschluß der
Spulenzuleitungen 115 vorgesehen.
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Ferner
sind auch Verbindungselemente 128 wie z.B. Lötkugeln
auf derselben Oberfläche 120 des Trägersubstrats 122 vorgesehen,
um mit der Leiterplatte, in der der Reed-Schalterbaustein 100 installiert
wird, elektrisch zu koppeln, was nachstehend im einzelnen beschrieben
wird. Die elektrischen Verbindungselemente 128 können auch
von anderen Arten sein, wie z.B. eine Kontaktfleck-Gittermatrix
(LGA), eine Spaltengittermatrix (CGA) oder eine Anschlußmatrix
(PGA), sowie Löthöcker und
Lötpastenpunkte. Die
elektrischen Verbindungselemente 128 sind mit jeweiligen
der Kontaktstellen 126a–h elektrisch verbunden, um
elektrische Kontinuität
zu den Signalzuleitungen 106, den Erdungszuleitungen 108 und
den Spulenzuleitungen bereitzustellen, oder die Enden 115 sind
in derselben Weise abgeschlossen, obwohl ihr physikalischer Ort
bezüglich
der Schalter- und Signaltopologie breit variieren kann. Leiterplattenbahnen 130 werden
vorzugsweise verwendet, um die elektrische Verbindung zwischen den
Kontaktstellen 126a–h
und den elektrischen Verbindungselementen 128 bereitzustellen.
Eine beliebige andere Art von elektrischer Verbindung kann verwendet
werden, um die Leiterplattenbahnen 130 zu ersetzen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Signal durch den Reed-Schalter 111 optimiert,
da die koaxiale Konfiguration des Reed-Schalters 111 zu den
Verbindungselementen 128 aufgrund der Anwesenheit der Leiterplattenbahnen 130,
die mit den Erdungszuleitungen 108 verbunden sind, die
sich auf entgegengesetzten Seiten der Leiterbahnen 130 befinden,
die mit den Signalzuleitungen 106 verbunden sind, aufrechterhalten,
um einen Wellenleiter über
die untere Oberfläche 120 des
Trägersubstrats 122 aufrechtzuerhalten,
um eine vollständige
Umgebung mit gesteuerter Impedanz sicherzustellen.
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Mit
Bezug nun auf 6–8 ist die
Installation des Reed-Vorrichtungsbausteins 100 an einer Hauptleiterplatte 132 gezeigt. 6 stellt
eine Musterleiterplatte 132 gemäß der vorliegenden Erfindung dar,
in der eine Vertiefungsöffnung 134 zum
Einsetzen durch diese hindurch vorgesehen ist. Eine vollständige Durchgangsöffnung 134 ist
vorgesehen; eine Aussparung (nicht dargestellt) in der Bauteilmontagefläche der
Hauptleiterplatte 132 wird jedoch auch in Erwägung gezogen
und liegt innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung.
Die Hauptleiterplatte 132 umfaßt eine Anordnung von Kontaktstellen 136,
die zu den elektrischen Verbindungselementen 128 an der
unteren Oberfläche 120 des
Trägersubstrats 122 komplementär sind.
Elektrische Leiterbahnen 138 sind auch an der Hauptleiterplatte 132 vorgesehen,
um den Reed-Vorrichtungsbaustein 100 mit der vorliegenden
Schaltung elektrisch zu verbinden.
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Wie
in 7 und 8 gezeigt, wird der Reed-Vorrichtungsbaustein 100 mit
der am Trägersubstrat 122 montierten
Reed-Vorrichtung 111 in der Öffnung 134 an der
Bauteilmontagefläche 140 der Hauptleiterplatte 132 in
einer umgekehrten Weise installiert, so daß sich ungefähr 1/3 der
Haspel 102 der Reed-Vorrichtung 111 innerhalb
der Sitzöffnung 134 der
Hauptleiterplatte 132 befinden. Die elektrischen Verbindungselemente 128 werden
mit entsprechenden Kontaktstellen 136 auf der oberen Oberfläche 140 der
Leiterplatte 132 in Eingriff gebracht und an der Stelle
befestigt, um die Reed-Vorrichtung 111 mit der Schaltung
elektrisch zu verbinden, was durch die Ziffer 142 an der
Leiterplatte 132 repräsentativ
angegeben ist. Wie am besten in 8 zu sehen,
wird ein Reed-Vorrichtungsbaustein 100 mit niedrigem Profil bereitgestellt,
wobei der Haspelteil 102 der Reed-Vorrichtung 111 teilweise
durch das Trägersubstrat
oder die Relaiskarte 122 und teilweise innerhalb der Hauptleiterplatte 132 liegt.
Folglich wird die Gesamthöhe
des Reed-Schalterbausteins 100 erheblich verringert,
was folglich eine Installation von Bauteilen mit niedriger Höhe an der
Leiterplatte 132 ermöglicht, um
die Installation in kleineren Umgebungen zu ermöglichen und eine engere Zusammenstapelung
von bestückten
mehreren Leiterplatten 132 zu erleichtern.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Wellenleiter bereit, um eine
wahre koaxiale Umgebung zu simulieren. Dieser einzigartige Wellenleiter
erstreckt sich von der Reed-Vorrichtung 111 selbst zu den
elektrischen Verbindungen 128 an der Unterseite des Reed-Vorrichtungsbausteins 100.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der Wellenleiter oder die
simulierte koaxiale Anordnung vom Reed-Schalter 111 selbst zu den
elektrischen Verbindungen 124 kontinuierlich, wobei ein
Mikrostreifen- oder Wellenleiter typischerweise an der Leiterplatte 132 vorliegt.
Ein solcher Wellenleiter an der Leiterplatte 132 ist durch Leiterbahnen 138 vorgesehen,
die mit den Erdungszuleitungen verbunden sind. Folglich wird das
Signal vor ungesteuerten Diskontinuitäten geschützt. Der Abschirmungsschutz
für die
Signalzuleitung 106 ist vom eigentlichen Körper des
Reed-Schalters 111 zur eigentlichen elektrischen Schnittstelle
mit der Leiterplatte 132 verlängert und wird gesteuert. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Impedanz des Signalübertragungsweges über seine
gesamte Länge innerhalb
des Bausteins 100 im Wesentlichen konsistent gehalten und
ist an den gewünschten
Gesamtimpedanzwert angepaßt,
wobei somit der Bedarf für eine
beträchtliche
Schaltungsabstimmung durch den Benutzer vermieden wird.
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Wie
verständlich
sein kann, stellt die vorliegende Erfindung entweder eine tatsächliche
oder simulierte koaxiale Umgebung für einen überlegenen Schutz der Signalzuleitung 106 des
Reed-Schalters 111 bereit. Dieser kontinuierliche koaxiale
Schutz ohne Verwendung von Kontaktlöchern durch das Relaissubstrat
ist in Bausteinen des Standes der Technik nicht zu finden. Der integrierte
Wellenleiter am Reed-Vorrichtungsbaustein 100 ermöglicht,
daß eine kontinuierliche
koaxiale Umgebung vom Reed-Schalter direkt zur elektrischen Verbindung
mit der Leiterplatte 132 hinab bereitgestellt wird. In
den meisten Anwendungen ist aufgrund der Frequenz des durch den
Reed-Schalter 111 übertragenen
Signals eine vollständige
kontinuierliche Erdungsschleife nicht erforderlich, um eine koaxiale
Anordnung für
den Signalzuleitungsschutz bereitzustellen. In der vorliegenden
Erfindung sind die Erdungsleiterbahnen 130, die mit den
Erdungszuleitungen 108 verbunden sind, vorzugsweise um
einen Abstand von 1,27 mm oder 1,00 mm voneinander beabstandet;
andere Abstände
können
jedoch verwendet werden. Übliche
Frequenzen für
den Reed-Schalter 111 liegen im Bereich von 1,0 bis 8,0
GHz. Bei diesen Frequenzen liegen die Wellenlängen im Bereich von 300 mm
bis 40 mm. Die Wellenlängen
sind zu lang, um irgendwelche Diskontinuitäten der "simulierten" koaxialen Anordnung festzustellen.
Daher ist die simulierte koaxiale Anordnung in der Wirksamkeit verglichen
mit einer wahren vollständigen
koaxialen Anordnung im Wesentlichen identisch. Folglich stellt diese
Topologie eine wirksame Abschirmung bereit, bis die Wellenlänge zu klein wird,
so daß der
Leiterbahnabstand als diskontinuierlich gesehen wird. Für den Leiterbahnabstand,
wie vorstehend erörtert,
kann eine wirksame Abschirmung mit der vorliegenden Erfindung mit
Wellenlängen
von nicht höher
als 8 mm mit einer Frequenz von 37 GHz realisiert werden. Mehr oder
weniger Leiterbahnen 130 können in Abhängigkeit von der Vorrichtung
innerhalb des Bausteins und der vorliegenden Anwendung verwendet
werden.
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Der
Baustein 100 der vorliegenden Erfindung kann leicht modifiziert
werden, um mehr als einen Reed-Schalter 111 auf einmal
aufzunehmen, um mehrere Kanäle
bereitzustellen. In dieser Anordnung werden die geeigneten elektrischen
Kontakte 128, z.B. Lötkugelverbindungen,
für jeden
Reed-Schalter 111 entsprechend einem gegebenen Kanal verwendet.
Ferner können
viele verschiedene Arten von Verbindungen 128 vom Baustein 100 der
vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es sollte selbstverständlich sein,
daß der
Baustein 100 der vorliegenden Erfindung einer breiten Anordnung
von elektronischen Vorrichtungen gerecht werden kann, die eine Signalzuleitungsabschirmung
mit einer Umgebung mit gesteuerter Impedanz erfordern.
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Der
Baustein 100 der vorliegenden Erfindung kann verwendet
werden, um viele verschiedenen Arten von Schaltungsanordnungen unter
Verwendung von Reed- Schaltern 111 mit
der zusätzlichen
einzigartigen Fähigkeit
eines überlegenen Schutzes
der Signalzuleitung 106 des Reed-Schalters 111 durch
Simulieren der koaxialen Umgebung gemäß der vorliegenden Erfindung
auszuführen.
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9 stellt
eine spezielle Musteranwendung des Bausteins der vorliegenden Erfindung
dar. Das Diagramm von 9 stellt eine Schaltung 300 dar, die üblicherweise
in einer ATE (automatischen Testanlage) für den Zweck des Testens von
Schaltungsbauelementen, die im Allgemeinen als 313 bezeichnet
sind, und dergleichen verwendet wird. Diese Schaltung 300 legt
eine Vorrichtung mit drei Anschlüssen
dar, die in Reihe, Ende an Ende, in Abhängigkeit von der Anwendung "stapelbar" sein kann. Eine
Vorrichtung 306 mit drei Anschlüssen mit einem ersten Reed-Schalter 302 und
einem zweiten Reed-Schalter 304 ist in 9 als
im Allgemeinen durch die gestrichelten Linien angegeben gezeigt. Die
erste Reed-Schaltervorrichtung 302 stellt beispielsweise
eine Verbindung für
ein Hochfrequenz-Wechselspannungssignal bereit, während der zweite
Reed-Schalter 304 eine
Verbindung für
ein Gleichspannungssignal oder ein Niederfrequenz-Wechselspannungssignal
bereitstellt.
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Insbesondere
ist ein Signalgenerator 308 mit dem ersten Anschluß 310 des
ersten Reed-Schalters 302 verbunden. Ein zweiter Reed-Schalter 304 ist
mit einem ersten Anschluß 312 und
einem zweiten Anschluß 314 versehen.
Ein zweiter Anschluß 316 des ersten
Reed-Schalters 302 ist mit dem zweiten Anschluß 314 des
zweiten Reed-Schalters 304 am Knoten 318 verbunden.
Dieser Knoten 318 wird zum Ausgangsanschluß 326 für die Vorrichtung 306.
Ein zweites Paar von Reed-Schaltern 320, 322 wird
verwendet, um den Stimulus vom getesteten Bauelement (DUT) 313 zu
empfangen. Ein Empfänger 317 empfängt das
Ausgangssignal vom zweiten Paar von Reed-Schaltern 320, 322.
Die serielle Art des Paars von Schaltern ermöglicht, daß eine Schaltung mit einer
Anzahl von verschiedenen Testoperationen für eine unterschiedliche Anzahl
von DUTs ausgelegt wird, die unabhängig auswählbar und isolierbar sind. 10 stellt
ein repräsentatives
Diagramm von einem des Paars von Reed-Relais dar, die den Schaltplan
von 9 ausführen.
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Um
diese Schaltung auszuführen,
werden im Stand der Technik zwei einzelne Reed-Schalter mit einer
Leiterplatte (nicht dargestellt) mit der geeigneten Verbindung 324 verbunden,
die aus den Zuleitungen der Schalter und der Leiterbahn auf der
Leiterplatte dazwischen besteht. Dies führt zu einer langen, ungeschützten und
verwundbaren Verbindung zwischen den Anschlüssen der Reed-Schalter und
der Leiterplatte, die üblicherweise
als "Stichleitungsverbindung" bezeichnet wird.
Infolge dieser langen, ungeschützten
Stichleitungsverbindung 324 liegt eine signifikante parasitäre Kapazität C zur
Erdung vor. Diese wird als "Stichleitungskapazität" bezeichnet und wirkt
zum Belasten des Hochfrequenzweges, wobei somit die Frequenz der
Schaltung auf einen Wert im Bereich von beispielsweise etwa 5,0
GHz begrenzt wird. Um sehr schnelle getestete Bauelemente (DUT)
wie z.B. Hochgeschwindigkeits-Mikroprozessoren
korrekt zu testen, muß jedoch
die Frequenz der Testschaltung den Bereich von 7 GHz und höher in der
Zukunft erreichen. Daher ist diese Schaltung 300 mit einer
Montage der Reed-Schalter 302, 304 des Standes
der Technik und der Stichleitungsverbindung 324 auf der
Leiterplatte außerstande,
Hochgeschwindigkeitsbauelemente zu testen. Der Schutz dieser Stichleitungsverbindung
ist ein Beispiel für
viele verschiedenen Weisen zur Verwendung der vorliegenden Erfindung.
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Unter
Verwendung der vorliegenden Erfindung kann die Schaltung 300 jedoch
leicht bei Frequenzen im Bereich von 7 GHz und darüber arbeiten, um
dem Testen von Hochgeschwindigkeitsbauelementen gerecht zu werden,
da der Hochfrequenzweg unter Verwendung der simulierten koaxialen
Signalschutzumgebung geschützt
wird, wie vorstehend im einzelnen erörtert. Die Stichleitungsverbindung
befindet sich innerhalb des Bauelements, wobei folglich ihre Länge minimiert
wird, was von Natur aus die kapazitive parasitäre Last minimiert. Die Tatsache,
daß sich
die Stichleitung im Bauelement befindet, ermöglicht überdies die Verwendung von
anderen Verfahren zur Kapazitätssteuerung
und -kompensation.
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Obwohl
der Baustein der vorliegenden Erfindung so gezeigt ist, daß er Lötkugeln
in einem BGA-Baustein zur elektrischen Verbindung mit einer Leiterplatte 132 verwendet,
können
andere Arten von Verbindungen 128 verwendet werden, wie
z.B. Anschlußstiftgitter,
Kontaktfleckgitter oder Spaltengitter. Ferner kann eine Kugelgittermatrix-Sockelanordnung verwendet
werden, um die Entfernung oder den Austausch des Bausteins zu erleichtern,
wenn dies erwünscht
ist. Die Relaiskarte besteht vorzugsweise aus einem typischen Leiterplattenmaterial,
kann jedoch aus einem beliebigen anderen Material hergestellt werden,
das für
elektronische Bauelementgehäuse
geeignet ist. Die elektrischen Leiterbahnen 130, 138,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können aus
bekannten leitenden Materialien, wie z.B. Kupfer, Aluminium, Zinn
und anderen Legierungen, die in der Industrie bekannt sind, hergestellt
werden.
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Da
der Reed-Vorrichtungsbaustein 100 an einem Trägersubstrat 122 montiert
ist, anstatt vollständig
in einen geschlossenen Baustein eingekapselt zu sein, kann das Trägersubstrat 122 viel
dünner gemacht
werden. Ein dünnes
Trägersubstrat
oder eine dünne
Relaiskarte 122 führt
zu niedrigeren Kosten, da eine dünne,
einlagige, nicht-laminierte Konstruktion nun verwendet werden kann.
Mit einer dünnen
Relaiskarte, die das Substrat für
den Baustein 100 bereitstellt, kann auch eine Leitweglenkung
mit gesteuerter Tiefe beseitigt werden und der Signalweg kann verringert
werden, wobei somit ein besseres Aufrechterhalten der gewünschten
Impedanz des Signalweges bereitgestellt wird.
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Der
Reed-Vorrichtungsbaustein 100 gemäß der vorliegenden Erfindung
ist vorzugsweise vollständig
in einem Metall- oder nicht-metallischen Mantel eingeschlossen oder
kann für
zusätzlichen Schutz
der Vorrichtung vollständig überformt
sein. Alternativ kann der Reed-Vorrichtungsbaustein 100 teilweise
mit einem Metall- oder nicht-metallischen Mantel umschlossen sein,
teilweise mit Kunststoff überformt
sein oder teilweise unter Verwendung von anderen Materialien eingekapselt
sein, um eine luftdichte und/oder flüssigkeitsdichte Abdichtung
in einer Konfiguration mit niedrigem Profil bereitzustellen.