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RÜCKVERWEISUNG AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität von der vorläufigen Patentanmeldung
Seriennr. 60/362 856, eingereicht am 8. März 2002.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Schaltvorrichtungen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte
Kapselung und Schaltungsintegration für elektromagnetische Vorrichtungen
wie z. B. Reed-Schalter
und elektromagnetische Vorrichtungen wie z. B. Reed-Relais zum Umschalten
von Hochfrequenzsignalen. Diese Relais sind für Anwendungen in Industrien
wie z. B. einer automatisierten Testanlage (ATE) bestimmt, in denen
Testsignale mit Frequenzbereichen von Gleichspannung bis 12 GHz
mit minimalem Leistungsverlust und minimaler Impulsverzerrung umgeschaltet
werden müssen.
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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 einer hermetisch
abgedichteten Glasröhre
kombiniert sind, die 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 elektrische
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,
wobei somit der Schalter geöffnet wird.
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Reed-Schalter,
die durch eine Magnetspule betätigt
werden, sind typischerweise innerhalb eines Spulenkörpers oder
spulenartigen Elements aufgenommen. Eine Drahtspule ist um die Außenseite
des Spulenkörpers
gewickelt und mit einer Quelle für elektrischen
Strom verbunden. Der durch die Spule fließende Strom erzeugt das gewünschte Magnetfeld,
um den Reed-Schalter innerhalb des Spulenkörpergehäuses zu betätigen. Einige Anwendungen von Reed-Vorrichtungen erfordern,
dass der Schalter Signale mit Frequenzen oberhalb 500 MHz trägt. Für diese
Anwendungen ist ein Masseabschirmungsleiter, der üblicherweise
aus Kupfer oder Messing besteht, um den Körper des Reed-Schalters angeordnet.
Der Masseabschirmungsleiter liegt üblicherweise in einer zylindrischen
Konfiguration vor. Der Abschirmungsleiter befindet sich zwischen
dem Reed-Schalter und dem Spulenkörpergehäuse, um ein koaxiales Hochfrequenz-Übertragungssystem
zu bilden. Dieses koaxiale System umfasst den äußeren Abschirmungsleiter und
den Schalterzuleitungs-Signalleiter koaxial durch die Mitte des
Reed-Schalters. Der Masseabschirmungsleiter wird verwendet, um das
Signal durch den Schalterleiter einzuschließen, um die gewünschte Impedanz
des Signalpfades aufrechtzuerhalten.
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Derzeit
erhältliche
Reed-Vorrichtungen werden dann in eine gegebene Schaltungsumgebung von
Benutzern eingebaut. Zur Anwendung bei höheren Frequenzen muss eine
Reed-Schalter-Vorrichtung ideal so konfiguriert sein, dass sie so
nahe 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 ganzen
Umgebung bevorzugt, um die Schaltungsintegrität und die gewünschte abgeglichene
Impedanz aufrechtzuerhalten. Wie vorstehend angegeben, umfasst der
Körper eines
Reed-Schalters die erforderliche koaxiale Umgebung. Außerdem umfasst
die Signalleiterbahn auf der Leiterplatte des Benutzers üblicherweise
einen "Wellenleiter", wo zwei Massezuleitungen
auf entgegengesetzten Seiten der Signalzuleitung und in derselben
Ebene liegen, oder einen "Streifenleiter", wo eine Masseebene
unter der Ebene des Signalleiters liegt. Diese Verfahren sehen zweckmäßig verwendet eine
zweidimensionale Umgebung mit gesteuerter Impedanz vor, die zum
Aufrechterhalten der gewünschten
Impedanz für
die korrekte Schaltungsfunktion annehmbar ist.
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Die
Reed-Schalter-Vorrichtung muss jedoch physikalisch verpackt und
elektrisch mit einer Leiterplatte verbunden werden, die eine gegebene
Schaltungskonfiguration trägt.
Es ist üblich,
die Abschirmungs- und Signalanschlüsse an einer Leiterrahmenarchitektur
abzuschließen
und die ganze Baugruppe in einem dielektrischen Material wie Kunststoff
zur leichten Herstellung und Kapselung einzuschließen. Der äußere Teil
der Zuleitungen kann für die
Oberflächenmontagefähigkeit
in einer 1-Form- oder "J"-Form ausgebildet
werden. Die Signalzuleitungen oder Anschlüsse treten aus dem Reed-Schalter-Körper und
in die Luft aus, um die elektrische Verbindung mit der Leiterplatte
herzustellen. Dieser Übergang
der Signalzuleitungen vom Kunststoffdielektrikum zur Luft erzeugt
eine unerwünschte
Diskontinuität
der koaxialen Schutzumgebung, die innerhalb des Körpers des
Schalters selbst zu finden ist. Eine solche Diskontinuität erzeugt
eine Ungenauigkeit und Unsicherheit in der Impedanz der Reed-Schalter-Vorrichtung.
Folglich müssen
Schaltungsentwickler dieses Problem durch spezielles Entwerfen ihrer
Schaltungen kompensieren, um sich auf die innewohnenden Probleme,
die der Diskontinuität
der koaxialen Schutzumgebung und der Verschlechterung der Nennimpedanz
der Reed-Schalter-Vorrichtung zugeordnet sind, einzustellen und
diese vorherzusehen.
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Die
Schaltung kann beispielsweise abgestimmt werden, um die Diskontinuität zu kompensieren,
indem eine parasitäre
Induktivität
und Kapazität hinzugefügt wird.
Dieses Verfahren der Diskontinuitätskompensation ist nicht bevorzugt,
da es den Entwurfsprozess kompliziert macht und verlangsamt und die
Integrität
der Schaltung verschlechtern kann. Es besteht eine Anforderung,
den Bedarf zum Abstimmen der Schaltung, wie vorstehend beschrieben,
zu verringern. Der Stand der Technik verwendet eine Struktur mit
sorgfältig
entworfenen Kontaktlöchern, die
aufwändig
und schwierig herzustellen sind, um die Impedanz des Übergangs
vom Relais zur Platine zu steuern.
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Es
gab im Stand der Technik viele Versuche, um die vorstehend erwähnten Probleme
zu lösen,
die der Kapselung und Integration von Reed-Schalter-Vorrichtungen in
eine Schaltung zugeordnet sind. Reed-Schalter-Vorrichtungen des
Standes der Technik umfassen beispielsweise typischerweise ein Leiterplattensubstrat,
auf dem der Reed-Schalter selbst installiert wird. Leiterplatten-Leiterbahnen
werden auf der Oberfläche
der Leiterplatte abgeschieden, um einen Wellenleiter bereitzustellen,
um die koaxiale Umgebung des Relais vom Reed-Schalter selbst bis
auf die Hauptleiterplatte, in der der Vorrichtungsbaustein installiert
wird, auszudehnen. Es bestehen jedoch Probleme, die der Verwendung
einer Leiterplatte als Substrat innerhalb eines übergossenen Vorrichtungsbausteins
sowie Herstellungsbegrenzungen zugeordnet sind.
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Da
es üblicherweise
erwünscht
ist, dass der Reed-Schalter-Baustein so klein wie möglich ist,
ist die Verwendung einer sehr dünnen
Leiterplatte erforderlich. Obwohl ein dünnes Leiterplattensubstrat gute
HF-Übertragungseigenschaften
aufweist, ist es mechanisch schlechter als ideal. Das Epoxid/Glasfaser-Material
einer typischen Leiterplatte ist dünn und zerbrechlich und unterliegt
einer Verzerrung oder Reißen
unter den Wärme-
und Druckbeanspruchungen des Einkapselungsprozesses. Die Verzerrung der
Zuleitungen kann zu einer Fehlausrichtung der Lötkugeln führen, wenn sie am Produkt nach
dem Formen befestigt werden. Wenn die Fehlausrichtung stark ist,
können
eine oder mehrere Relaiskugeln die Lötkugeln auf der Leiterplatte
des Benutzers verfehlen, wenn das Relais befestigt wird, was elektrische Diskontinuitäten verursacht,
die eine aufwändige Nachbesserung
erfordern.
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Die
Substratlötkugeln
sind auch zerbrechlich und werden daher leicht beschädigt, wenn
die Relaislötkugeln
an das Substrat durch Aufschmelzen gelötet werden. Ein weiterer Nachteil
von Lötkugeln
besteht darin, dass sie flach sind; aufgrund dessen können die
Lötkugeln
während
der Befestigung auf ihnen wandern, was eine weitere Fehlausrichtung
verursacht. Nachdem das Relais geformt ist, werden die Lötkugeln
an Kontaktstellen befestigt, die auf den freiliegenden äußeren Teilen
der Substratleiterbahnen vorgesehen sind. Die Lötkugeln schmelzen, wenn das
Relais auf die Leiterplatte des Benutzers aufgebracht wird, was
die elektrischen Verbindungen mit dem Reed-Schalter, der koaxialen
Abschirmung und der Spule vorsieht. Da das Leiterplattensubstrat ein
faserförmiges
Kantenprofil aufweist, das am Äußeren des
Relais freiliegt, stellt es auch einen potentiellen Weg für den Eintritt
von Feuchtigkeit während Leiterplatten-Reinigungsprozessen
bereit. Der Wassereintritt ist sehr unerwünscht, da er den Isolationswiderstand
des Relais senken kann. Die Leiterplatte ist auch im Vergleich zu
den gesamten Bauteilkosten für
das gesamte Produkt relativ teuer. Daher ist es erwünscht, dass
dieser Teil aus der Konstruktion entfernt wird.
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Im
Stand der Technik bestanden Versuche, die Verwendung von Leiterplattensubstraten
in elektronischen Vorrichtungsbausteinen zu beseitigen. Viele geformte
elektronische Bausteine verwenden ein internes Metallleiterrahmengerüst, um die
internen Bauteile abzustützen
und elektrische Signale in das und aus dem Bauteil zu übertragen.
Der Leiterrahmen stützt
die internen Bauteile während
der Montage ab und wird weggeschnitten, nachdem das Produkt geformt
ist, wobei Beine oder Stifte belassen werden, die für die externen
Verbindungen verwendet werden.
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Ein
Metallleiterrahmen könnte
solche Merkmale vorsehen, um den Bedarf für eine Leiterplatte zu vermeiden,
vorausgesetzt, dass er die Qualität der durch das Relais übertragenen
Signale nicht verschlechtert. Leiterrahmen sind jedoch im Allgemeinen
für eine Übertragung
von Signalen mit sehr hoher Frequenz nicht optimiert. Bei Frequenzen
von mehreren GHz und darüber
müssen
Signale auf speziellen Strukturen wie z. B. abgestimmten Streifenleitern
oder Wellenleitern getragen werden, um die Verluste zu minimieren.
Bekannte Leiterrahmenstrukturen sind nicht in der Lage, sich auf
Signale mit einer solchen hohen Frequenz einzustellen. Insbesondere sind
bekannte Leiterrahmenstrukturen nicht in der Lage, die Industrieanforderungen
für Relais
zu erfüllen,
die zum Testen eines Hochgeschwindigkeitsspeichers und von anderen
Halbleitern verwendet werden, was ein Verlust von nicht mehr als
der halben Leistung (–3
dB) für
Signale von bis zu 5 GHz (5 × 109 Hz) ist, die in das Hochfrequenz-(HF)Band
fallen. Die Mängel
in der Fähigkeit
bekannter Leiterrahmen ist weiterhin besonders ungeeignet in der
Zukunft, da die obige Anforderung wahrscheinlich über die
nächsten
paar Jahre auf 20 GHz und darüber
ansteigt.
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Angesichts
des Vorangehenden besteht ein Bedarf für eine Reed-Schalter-Vorrichtung, die
eine Umgebung mit gesteuerter Impedanz durch den ganzen Körper des
Bausteins zur Verbindung mit einer Schaltung umfasst. Es besteht
ein spezieller Bedarf dafür,
dass eine Reed-Schalter-Vorrichtung für die Installation in kleinen
Räumen
und für
die Leiterplattenstapelung kompakt ist und ein niedriges Profil
aufweist. Es besteht ferner ein Bedarf für Reed-Schalter-Vorrichtungen,
die eine Oberflächenmontagekonfiguration
aufweisen, um die Hochfrequenz der Leistung des Systems zu optimieren.
Ferner besteht ein Bedarf für
eine Reed-Schalter-Vorrichtung,
die den Bedarf verringern kann, eine Schaltung abzustimmen, um eine
Umgebung mit unkontrollierter Impedanz zu kompensieren. Es besteht
ein weiterer Bedarf für
einen Reed-Relais-Baustein, der kostengünstig und dennoch in der Konstruktion
robust und stabil ist, mit der Fähigkeit,
Hochfrequenzsignale durch ein geschlossenes Relais mit minimalem
Leistungsverlust zu übertragen.
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Das
Dokument "
US-A-6 052 045 " offenbart einen
Reed-Vorrichtungs-Baustein gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bewahrt die Vorteile von elektromagnetischen
Schaltvorrichtungen wie z. B. Reed-Relais des Standes der Technik.
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 die neue und einzigartige
Reed-Schalter-Vorrichtung mit
spezieller Anwendung beim effektiven Verbinden einer Reed-Schalter-Vorrichtung
mit einer Schaltung auf einer Leiterplatte in einer Konfiguration
mit niedrigem Profil. Der Reed-Schalter-Baustein der vorliegenden Erfindung
ermöglicht
die effiziente und wirksame Verbindung mit einer Leiterplatte, während er eine
kostengünstige
Konstruktion aufweist.
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Die
elektromechanische Vorrichtung der vorliegenden Erfindung montiert
und bildet ein an der Platinenoberfläche montierbares Reed-Relais
mit niedrigem Profil. Der Reed-Vorrichtungs-Baustein umfasst einen
Reed-Schalter mit zwei Signalanschlüssen, die von entgegengesetzten
Seiten desselben ausgehen. Ein Leiterrahmen wird mit Signalleitern
und Massenleitern verwendet. Die Signalleiter sind jeweils an jedem
der Signalanschlüsse
angebracht. Eine Masseabschirmung umgibt den Körper des Reed-Schalters. Die
Masseleiter sind mit der Masseabschirmung auf einer ersten Seite
des Reed-Schalters verbunden, wobei der Signalleiter auf einer Seite
des Reed-Schalters zwischen den zwei Masseleitern angeordnet ist.
Ein weiteres Paar von Masseleitern ist mit der Masseabschirmung
auf der anderen Seite des Schalters verbunden und sie sind ähnlich angeordnet,
wobei der andere Signalleiter dazwischen angeordnet ist. Die Reed-Schalter-Vorrichtung
ist mit Ausnahme der freien Enden der Signal- und der Masseleiter,
die Lötkugeln
zur Oberflächenmontageinstallation
an einer Leiterplatte daran aufnehmen, mit einem Einkapselungsmaterial übergossen.
Nach der Einkapselung werden überschüssige Teile
des Leiterrahmens abgeschnitten.
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Daher
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten
Reed-Schalter-Baustein mit
niedrigem Profil bereitzustellen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reed-Schalter-Vorrichtung
mit einer Umgebung mit gesteuerter Impedanz über den ganzen Baustein bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reed-Schalter-Baustein mit einem verbesserten
Substrat bereitzustellen, das stärker und
maßgenauer
ist als die existierenden Leiterplattensubstrate.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Reed-Schalter-Baustein bereitzustellen,
der ein Substrat aufweist, das den Bruch und die Verzerrung während der
Herstellung minimiert.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Reed-Schalter-Baustein bereitzustellen,
der zum effizienten Leiten von Hochfrequenzsignalen in der Lage
ist.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reed-Schalter-Baustein bereitzustellen,
der kostengünstig
herzustellen und zuverlässiger
zu montieren ist.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Reed-Schalter-Baustein
bereitzustellen, der eine Lötkugelanordnung
aufweist, die Koplanaritätsinstallationsanforderungen
erfüllt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Reed-Schalter-Baustein bereitzustellen,
der leicht an einer Hauptleiterplatte an der Oberfläche montiert
werden kann.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Reed-Schalter-Baustein
mit einem Metallsubstrat, das für
die Hochfrequenz-Signalübertragung
optimiert ist, bereitzustellen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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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 in auseinandergezogener Anordnung;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht einer Reed-Relais-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht des an der Oberfläche montierten, geformten Relais
der vorliegenden Erfindung in auseinandergezogener Anordnung;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht des an der Oberfläche montierten geformten Relaisbausteins,
der gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist;
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5 ist
eine perspektivische Ansicht des an der Oberfläche montierten geformten Relaisbausteins
von 4 vor der Einkapselung;
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6 ist
eine rechte Seitenaufrissansicht des Reed-Relais, das an einem Leiterrahmen
befestigt ist, wie in 5 gezeigt;
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7 ist
eine Draufsicht auf eine Anordnung von Leiterrahmen vor der Installation
von Reed-Relais daran;
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8 ist
eine Nahdraufsicht auf einen der Leiterrahmen von 7;
und
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9 ist
ein graphischer Vergleich des HF-Einfügungsverlusts des Reed-Relais-Bausteins mit einer
Leiterplatte des Standes der Technik und eines Relais-Bausteins, der gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Wenn
man sich zuerst 1 zuwendet, ist eine perspektivische
Ansicht einer Reed-Schalter-Konfiguration 10 des Standes
der Technik gezeigt. Ein bekannter Reed-Schalter 11 umfasst
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 auf dem Fachgebiet
so gut 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 eines Spulenkörpers oder einer Spule 20 aufgenommen. Um
den Spulenkörper 20 ist
ein leitender Draht 22 gewickelt. Folglich ist eine koaxiale
Anordnung gebildet, um die Vorrichtung des Reed-Schalters 11 zu schützen und
die Impedanz der Umgebung zu steuern und die gesamte Übertragung
des Signals zu verbessern. Der Reed-Schalter 11, der Abschirmungsleiter 16 und
der Spulenkörper 20 sind
im Allgemeinen als mit zylindrischer Konfiguration gezeigt.
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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. Der Reed-Schalter 11 ist vorzugsweise
auch vom normalerweise offenen Typ, kann jedoch auch vom normalerweise
geschlossenen Typ sein.
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Wie
verstanden werden kann und im Stand der Technik bekannt ist, werden
die freien Enden der Drahtspule 22, der Abschirmung 16 und
der Signalanschlüsse 14 des
Reed-Schalters 11 mit einer Schaltung, wie gewünscht, elektrisch
verbunden. Die jeweiligen Komponenten der Konfiguration des Reed-Schalters 11 werden
durch eine andere elektrische Verbindung (nicht dargestellt) mit
einer Schaltung verbunden. Die elektrischen Verbindungsverfahren
des Standes der Technik führen
eine Diskontinuität
der gewünschten
koaxialen Umgebung ein.
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Wie
vorstehend beschrieben, muss die gesamte Reed-Schalter-Vorrichtung 10 so
entworfen werden, dass sie leicht in einer Schaltung eines Benutzers
aufgenommen wird. Eine zum Arbeiten mit hoher Frequenz verwendete
Schaltung ist beispielsweise mit einer definierten charakteristischen
Impedanzumgebung entworfen. Das Ziel des Entwurfs und der Herstellung
einer Reed-Vorrichtung 10 mit den Spezifikationen eines
Schaltungskunden besteht darin, die gewünschte Impedanz der Vorrichtung 10 an die
Schaltungsumgebung so nahe wie möglich
anzupassen. Es ist bevorzugt, dass keine Diskontinuität der Impedanz
von der Reed-Vorrichtung 10 selbst zu einer Leiterplattenleiterbahn
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 und 3 zuwendet,
ist die Reed-Schalter-Vorrichtung 103, die im Baustein
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, gezeigt. Mit Bezug auf 2 umfasst
die vorliegende Erfindung einen Reed-Schalter 111 mit einem
Paar von Signalanschlüssen 106a und 106b,
die von entgegengesetzten Seiten desselben ausgehen. Eine Glasumhüllung 126 ist
mit den Kontaktzungen (nicht dargestellt) darin vorgesehen. Die
Details des Reed-Schalters 111 werden hierin nicht erörtert, da
er im Stand der Technik gut bekannt ist.
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Die
Reed-Vorrichtung 103 ist so vorgesehen, dass sie einen äußeren Spulenkörper 102 mit
einer Spule 109 mit freien Enden 115a und 115b,
die um ihn gewickelt sind, um das erforderliche Magnetfeld einzuführen, um
den Reed-Schalter 111 zu
betätigen, umfasst.
Vom Spulenkörper 102 gehen
auch Masseabschirmungsansätze 108a und 108b in
Form von bogenförmigen
Halbkreisen aus, die jeweils mit entgegengesetzten Seiten der Abschirmungshülse 110 elektrisch
verbunden sind. Jeder der Ansätze 108a und 108b kann
auch in Form eines Paars von Ansätzen
vorliegen, die sich von Seiten der Masseabschirmungshülse 110 nach
außen
erstrecken. Der Ansatz 108a ist auf einer Seite des Spulenkörpers 102 angeordnet
und der Ansatz 108b ist auf der anderen Seite des Spulenkörpers 102 angeordnet.
Beide Ansätze 108a und 108b sind
mit den Enden der inneren Abschirmungshülse 110 elektrisch
verbunden und gehen von diesen aus. Wie in 3, einer
perspektivische Ansicht des Reed-Schalters 111 von 2 in auseinandergezogener
Anordnung, gezeigt, sind die Masseansätze 108a und 108b im
Wesentlichen eine Verlängerung
von der Abschirmungshülse 110 selbst auf
entgegengesetzten Seiten derselben, wobei ein Paar von lötfähigen Oberflächen 108b und 108d an der
unteren Kante des Ansatzes 108a und ein Paar von lötfähigen Oberflächen 108e und 108f vorgesehen
sind.
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Mit
Bezug nun auf 4 ist ein fertig gestellter
eingekapselter Reed-Schalter-Baustein 200 gemäß der vorliegenden
Erfindung so gezeigt, dass er einen Hauptkörperteil 202 und eine
Anzahl von elektrischen Kontakten 204a–h umfasst, die vorzugsweise
Lötkugeln 206 daran
umfassen, die an Leitern 204a–h befestigt sind, die wiederum
mit den verschiedenen Komponenten des Reed-Schalter-Bausteins 200 verbunden
sind. Die Konstruktion der Leiter 204a–h und der Lötkugeln 206 daran
wird nachstehend im Einzelnen erörtert.
Angesichts der in 4 gezeigten Konstruktion kann
der Reed-Schalter-Baustein 200 leicht an einer Leiterplatte
zur Integration in eine Schaltung (nicht dargestellt) an der Oberfläche montiert
werden. Die Oberflächenmontage
von Reed-Schalter-Vorrichtungsbausteinen
und die elektrische Verbindung mit einer Schaltung auf einer Leiterplatte
sind auf dem Fachgebiet so gut bekannt, dass sie hierin nicht im
Einzelnen erörtert
werden müssen.
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In 5–8 sind
Details der Konstruktion des Reed-Schalter-Bausteins 200 der
vorliegenden Erfindung gezeigt. Wenn man sich 5 zuwendet, ist
der Reed-Schalter-Baustein 200 vor
der Einkapselung gezeigt, um die Konstruktion und Verbindung der
Reed-Schalter-Vorrichtung 103 mit einem Leiterrahmensubstrat 212 darzustellen,
um einen einzigartigen an der Oberfläche montierbaren Reed-Schalter-Vorrichtungsbaustein 200 bereitzustellen.
Um die Massenproduktion zu erleichtern, umfasst der Leiterrahmen 212 eine
Anordnung von Sätzen
von Leitern 204a–h
zum Aufnehmen einer Anzahl von Reed-Schalter-Vorrichtungen. Eine
Anordnung von 10 Leiterrahmeneinheiten kann beispielsweise zum gleichzeitigen
Herstellen von 10 Reed-Schalter-Vorrichtungsbausteinen 200 verwendet
werden. Für
eine leichte Darstellung wird die erste Leiterrahmeneinheit im Einzelnen
erörtert.
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Der
Leiterrahmen 212 umfasst einen äußeren Trägerrahmen 214 mit
einer Anzahl von Leitern 204a–h, die von diesem zur elektrischen
Verbindung mit verschiedenen Komponenten der Reed-Schalter-Vorrichtung 103 nach
innen ausgehen. Die Leiter 204a–h werden verwendet, um eine
Schnittstelle der Reed-Schalter-Vorrichtung 103 mit
der Schaltung der Leiterplatte, auf der der Baustein 200 installiert
wird, bereitzustellen.
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Insbesondere
befinden sich auf jeder Seite der Reed-Schalter-Vorrichtung 103 vier
elektrische Verbindungen, die für
einen korrekten Betrieb der Reed-Schalter-Vorrichtung 103 innerhalb des
Bausteins 200 und die Integration in eine Schaltung hergestellt
werden müssen.
Signalleiter 204c und 204c sind auf beiden Seiten
der Reed-Schalter-Vorrichtung 103 vorgesehen, um jeweils
mit den Signalanschlüssen 106a und 106b zu
verbinden. An der Vorderseite der Vorrichtung 103 sind
auch Masseleiter 204b und 204d jeweils mit den
Masseabschirmungsoberflächen 108c und 108d elektrisch
verbunden. An der Rückseite
der Vorrichtung sind Masseleiter 204f und 204h jeweils
mit den Masseabschirmungsoberflächen 108e und 108f elektrisch
verbunden. Die freien Enden 115a und 115b der
Drahtspule 109 sind auch jeweils mit Leitern 204a und 204e elektrisch verbunden. 6 stellt
ferner eine rechte Seitenaufrissansicht der Konstruktion von 5 dar,
wobei die Signalanschlüsse 106a und 106b jeweils
mit ihren entsprechenden Leitern 204c und 204g elektrisch
verbunden sind. Die vorangehenden elektrischen Verbindungen werden
vorzugsweise durch Löten
hergestellt, könnten
jedoch durch andere auf dem Fachgebiet bekannte Verfahren bewerkstelligt
werden, wie z. B. Schweißen
oder Thermokompressionsbonden.
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Die
Verwendung einer Leiterrahmenstruktur der vorliegenden Erfindung,
die zur Verwendung in einem elektromechanischen Schalterbaustein
optimiert ist, ist im Stand der Technik nicht zu finden. Im Allgemeinen
benötigen
Reed-Relais, die zur Übertragung
von HF-Frequenzen ausgelegt sind, spezielle Entwurfsmerkmale. Eine
Entwurfsschwierigkeit bei HF-Relais besteht im Übergang von der internen kreisförmigen koaxialen
Struktur des Reed-Schalters und seiner Abschirmung zur planaren
Struktur, die erforderlich ist, um das Relais an einer externen
Leiterplatte zu befestigen. Entwurfsmethoden des Standes der Technik
bestanden darin, eine Leiterplatte mit Kupferleiterbahnen, die als
Streifenleiter ausgebildet sind, zu verwenden. Es ist in der HF-Konstruktion
gut bekannt, dass ein Verfahren zur Übertragung von HF-Signalen
mit minimiertem Leistungsverlust darin besteht, einen flachen Signalleiter
vorzusehen, der auf beiden Seiten durch parallele geerdete Leiter flankiert
ist, was eine Anordnung ist, die als koplanarer Wellenleiter bekannt
ist. Durch Einstellen der Abmessungen der Leiter, des Abstandes
zwischen ihnen und der Dielektrizitätskonstante des Mediums, in dem
sie sitzen, ist es möglich,
die Übertragung
der Streifenleiterkombination mit drei Leitern auf eine spezielle
charakteristische Impedanz abzustimmen. Üblicherweise ist diese Impedanz
50 Ohm.
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Die
neue Leiterrahmenstruktur 212, wie am besten in 5, 7 und 8 zu
sehen, erreicht diese erwünschte
Impedanz von 50 Ohm unter Verwendung von einigen der Leiterrahmenelemente,
um einen abgestimmten Streifenleiter zu bilden. Der Leiterrahmen 212 wird
so hergestellt, dass die Elemente, die die Reed-Schalter-Anschlüsse 106a und 106b und
die interne HF-Masseabschirmung 110 über Kontaktoberflächen 108c–f mit dem Äußeren des
Relais verbinden, einen abgestimmten Übertragungsweg mit einer Impedanz
von 50 Ohm bilden. Die Abmessungen und der Abstand der Elemente
werden eingestellt, um die Dielektrizitätskonstante der Formverbindung 217,
wie in 4 zu sehen, die zum Einkapseln der Reed-Schalter-Vorrichtung 103 verwendet
wird, abzustimmen. Es wurde beispielsweise festgestellt, dass die
Anordnung der Leiter 204a–h in einem Abstand von 0,45
mm und 0,65 mm in der Breite für
die Aufrechterhaltung der gewünschten
Impedanz von 50 Ohm förderlich
ist. Nachdem der Baustein 200 geformt ist, wird der äußere Abfall
abgeschnitten, wobei eingebettete Kontakte 204a–h belassen
werden, die ermöglichen,
dass der Baustein 200 an der Oberfläche an der Leiterplatte des
Kunden montiert wird. Die Befestigung wird vorzugsweise unter Verwendung
von Lötkugeln 206 durchgeführt, kann
jedoch auch Löthöcker oder
andere Verbindungsstrukturen sein, wie z. B. Kontaktfleck-Gittermatrizes (LGA),
Spaltengittermatrizes (CGA) oder Anschlussstiftmatrizes (PGA) sowie
Lötpastenpunkte,
erhabene Krater und dergleichen.
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Obwohl
die allgemeine Verwendung von Leiterrahmen zum Erzeugen von Bausteinen
auf dem Fachgebiet im Allgemeinen bekannt ist, erreicht die vorliegende
Erfindung die gewünschte
Impedanz von 50 Ohm durch Optimieren des Leiterrahmens 212 für die Hochfrequenzumgebung.
Am bedeutendsten ermöglicht
die Verwendung eines Metallleiterrahmens 212, dass bestimmte
Materialien als Leiter 204a–h und Kontakte 206 anstelle
der druckfähigen
Materialien wie z. B. Kupfer, Aluminium und Zinn verwendet werden,
die üblicherweise
in Leiterplatten verwendet werden.
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Insbesondere
wird der Leiterrahmen 212 vorzugsweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung ausgebildet,
die später
mit anderen Metallen plattiert werden kann, um die Lötfähigkeit
oder die HF-Übertragungseigenschaften
zu verbessern. Kupfer kann auch verwendet werden. Eine Silberplattierung
mit hoher Leitfähigkeit
kann beispielsweise verwendet werden, um die Hochfrequenzübertragung
zu verbessern, da Signale im GHz-Bereich hauptsächlich nahe der Randzone eines
Leiters laufen. Überdies
ist ein Nickel-Eisen- oder anderes magnetisch weiches Material für das Basismetall
besonders erwünscht, da
es die magnetische Effizienz verbessert und daher den Leistungsverbrauch
des Relais verringert. Die vorangehenden Optimierungen der Leiter 204a–h können bei
einem Baustein auf Leiterplattenbasis aufgrund der Begrenzungen
des verwendeten druckfähigen
Kupfer-, Aluminium- und Zinnmaterials nicht verwendet werden.
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Noch
ferner schafft die Verwendung von vielmehr Metallleitern als Leiterbahnen
auf der Oberfläche
einer Leiterplatte ebenso mechanische Vorteile. Mit Bezug nun auf 7 und 8 sind
die mechanischen Vorteile des Metallleiterrahmens 212 deutlicher
gezeigt. Wie in 8 zu sehen, ermöglicht die Verwendung
von Metallstreifenleitern, dass Einkerbungen 216 im Verbindungsende
der Signalleiter 204c und 204g ausgebildet werden,
um einen Sitz auszubilden, um die Signalanschlüsse des Reed-Schalters besser
aufzunehmen. Die Einkerbungen 216 sind jeweils ungefähr halb
so tief wie der Durchmesser der Schalterdrahtzuleitungen 106a und 106b und
dienen als Ausrichtungsaussparung während der Relaismontage. Es
verbessert auch die HF-Übertragungseigenschaften,
da das Hochfrequenzsignal in einem geraderen Weg durch das Relais
läuft.
Diskontinuitäten,
die durch Biegungen im Weg verursacht werden, die Impedanzdiskontinuitäten einführen, die
den HF-Übertragungswirkungsgrad
verringern, sind im Baustein 200 der vorliegenden Erfindung
vermieden.
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Wie
in 8 zu sehen, weist noch ferner jeder der Leiter 204a–h des Leiterrahmens 212 auch vorzugsweise
kreisförmige
Einkerbungen 218 auf, die an dessen freien Enden ausgebildet
sind, nämlich in
dem Bereich, der nach dem Formen freiliegt. Lötkugeln 206, wie in 4 zu
sehen, befinden sich in diesen Aussparungen 218, was ihre
Ausrichtung verbessert, indem die Wanderung während der Befestigung beseitigt
wird. 4 zeigt die freiliegende Positionierung der Lötkugeln 206 in
den Aussparungen 218 an den freien Enden der Leiter 204a–h zur Vorbereitung
auf die Oberflächenmontageinstallation des
Bausteins 200 auf einer Leiterplatte.
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In
Verbindung mit der Konstruktion und Montage des Bausteins 200 wird
die Reed-Schalter-Vorrichtung 103 vorzugsweise vor der
Einkapselung teilweise zusammengefügt. Die internen Komponenten werden
an den Leiterrahmen 212 unter Verwendung eines Lötmittels
mit einem genügend
hohen Schmelzpunkt gelötet,
um irgendwelchen anschließenden
Herstellungsprozessen standzuhalten, wie z. B. Befestigung an einer
Leiterplatte eines Kunden. Typischerweise wird 100% Zinn oder 95%
Zinn + 5% Antimon verwendet. Schweißen oder andere Metallverbindungsprozesse
können
jedoch verwendet werden.
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Die
Lötkugeln 206 wurden
in die kreisförmigen
Aussparungen 218 in den Leitern 204a–h gelötet. Die
Kugeln 206 bestehen vorzugsweise aus 10% Zinn + 90% Blei
und weisen einen Schmelzpunkt von 302 Grad C auf. Mit einem solchen
hohen Schmelzpunkt schmelzen sie nicht bei den Temperaturen, die zum
Aufschmelzen des Bausteins 200 auf die Leiterplatte eines
Benutzers verwendet werden. Dies schließt jedoch nicht die Verwendung
anderer Arten von Lötkugeln 206 aus,
wie z. B. herkömmliches
eutektisches Lötmittel,
das aus 63% Zinn + 37% Blei besteht. Es schließt auch nicht das völlige Weglassen der
Lötkugeln 206 und
das Befestigen des Bausteins 200 an der Leiterplatte eines
Benutzers unter Verwendung von Lötpaste
oder anderen herkömmlichen Oberflächenmontageverfahren
aus.
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4,
wie vorstehend beschrieben, zeigt den Reed-Schalter-Baustein 200 der
vorliegenden Erfindung nach der Einkapselung. Die Reed-Schalter-Vorrichtung 103 wird
vorzugsweise mit einem typischen Einkapselungsmaterial 217 wie
z. B. Kunststoff oder Epoxidmaterial übergossen, während sie immer
noch mit dem Rahmen verbunden ist. Die vollständige Einkapselung schafft
eine luftdichte und/oder flüssigkeitsdichte
Abdichtung, wodurch die Komponenten darin geschützt werden.
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Nachdem
die Einkapselung vollständig
ist, wird der überschlüssige Leiterrahmen 212 weggeschnitten
und der überschüssige Formgrat
wird durch Fräsen
oder Sandstrahlen entfernt. Wie in 4 gezeigt,
erscheinen die abgeschnittenen Leiterrahmenelemente, nämlich die
Leiter 204a–h
und Lötkugeln 206 daran,
als Stäbe,
die in das Einkapselungsmaterial 217 eingebettet sind und
zur Oberflächenmontageverbindung
mit einer Leiterplatte bereit sind. Die Gesamthöhe des Reed-Schalter-Bausteins 200 ist erheblich
verringert, was folglich eine Installation von Komponenten an einer
Leiterplatte mit niedriger Höhe
ermöglicht,
um die Installation in kleineren Umgebungen zu gestatten und eine
engere Stapelung von bestückten
mehreren Leiterplatten miteinander zu erleichtern.
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Testdaten
zeigen, dass der Baustein 200 der vorliegenden Erfindung
eine Verbesserung gegenüber
Bausteinen des Standes der Technik ist. Das Diagramm von 11 zeigt HF-Einfügungsverlust-Daten für einen
Reed-Schalter-Baustein des Standes der Technik, der mit einer existierenden
Leiterplatte hergestellt ist, im Vergleich zum neuen Reed-Schalter-Baustein 200 mit
dem Metallleiterrahmen 212 der vorliegenden Erfindung.
Die vertikale Achse stellt den HF-Signalleistungsverlust in dB dar und
die horizontale Achse stellt die Frequenz in GHz dar. Der Leistungsverlust
als Funktion der Frequenz ist für
die Metallleiterrahmenversion bis zu einer Frequenz von ungefähr 7 GHz
verbessert, bevor beide beginnen, auf den minimalen annehmbaren
Pegel von ungefähr –3 dB abzufallen.
Angesichts des Vorangehenden kann der neue Reed-Schalter-Baustein 200 der
vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Metallleiterrahmens 212 eine
HF-Übertragungsleistung
bereitstellen, die äquivalent
zu oder besser als die existierenden Konstruktionen auf Leiterplattenbasis
des Standes der Technik sind, während
dennoch die vorstehend aufgelisteten Vorteile bereitgestellt werden.
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Angesichts
des Vorangehenden stellt die vorliegende Erfindung einen verbesserten Reed-Schalter-Vorrichtungsbaustein 200 bereit,
der ein Metallleiterrahmensubstrat 212 umfasst, das stärker und
maßgenauer
ist als die existierenden Leiterplattensubstrate, die in Bausteinen
des Standes der Technik verwendet werden. Die Verwendung eines Substrats
mit Metallleiterrahmen 212 minimiert den Bruch und die
Verzerrung während
der Herstellung und stellt auch sicher, dass die Anordnung von Lötkugeln 206 Koplanaritätsanforderungen
erfüllt.
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Der
Baustein 200 der vorliegenden Erfindung stellt wirksame
elektrische Verbindungsleiter 204a–h zwischen dem Äußeren der
Reed-Schalter-Vorrichtung 103 und den internen Komponenten bereit,
indem er als abgestimmter Wellenleiter mit einer nominalen Impedanz
von 50 Ohm und minimalen Abweichungen von dieser Impedanz wirkt,
wobei somit der HF-Leistungsverlust in einem durch das Relais übertragenen
Signal minimiert wird. Da die Leiterrahmenleiterelemente 204a–h maßgenauer
sind als Leiterbahnen, die auf Leiterplatten plattiert sind, die
im Stand der Technik verwendet werden, sind die Impedanzdiskontinuitäten geringer
als jene, die durch ein Leiterplattensubstrat erzeugt werden.
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Die
halb geätzten
Schalterzuleitungs-Aufnahmesitze 216 erzeugen einen geraderen
Weg für Signale,
die durch die Signalanschlüsse 106a und 106 der
Schaltvorrichtung 103 übertragen
werden, wodurch die Impedanzdiskontinuitäten verringert werden, die
die HF-Signale verzerren oder Leistung absorbieren können. Solche
vertieften Sitze 216 können
an Leiterbahnen, die auf eine Leiterplattenbaugruppe gedruckt wurden,
nicht ausgebildet werden. Die Aussparungen 218 zum Aufnehmen
der Lötkugeln 206 verbessern
ferner die Ausrichtung während der
Installation.
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Die
Beseitigung eines faserförmigen
Leiterplattensubstrats des Standes der Technik verbessert die gesamte
hermetische Abdichtung des Reed-Schalter-Vorrichtungsbausteins 200 der
vorliegenden Erfindung. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit für Feuchtigkeitseintritt,
der den Isolationswiderstand der Vorrichtung senken kann.
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Ferner
verbessert das Zulassen der Verwendung eines weichmagnetischen Materials
wie z. B. einer Nickel/Eisen-(NiFe)Legierung für das Leiterrahmensubstrat 212 den
magnetischen Wirkungsgrad der Vorrichtung, da es als magnetische
Antenne wirkt. Dies fokussiert die Feldlinien, die durch die Relaisspule 109 erzeugt
werden, was ermöglicht,
dass die Reed-Schalter-Vorrichtung 103 mit
geringerer elektrischer Leistung geschlossen wird, als erforderlich
wäre, wenn
Kupferzuleitungen verwendet werden würden. Dies bedeutet, dass entweder
(a) eine niedrigere Leistung erforderlich ist, um den Reed-Schalter 111 zu
schließen,
oder (b) ein geringfügig
stärkerer
Schalter mit höherer
Zuverlässigkeit mit
derselben Leistung geschlossen werden kann. Leiterplattenleiterbahnen
können
nicht leicht aus einer NiFe-Legierung konstruiert werden. Selbst
wenn ein Herstellungsverfahren entwickelt werden würde, würden die
Grenzen der magnetischen Sättigung
zu einem Leiter führen,
der zu dünn
wäre, um
für die Verstärkung des
magnetischen Wirkungsgrades nützlich
zu sein.
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Insgesamt
verringert der Baustein 200 der vorliegenden Erfindung
die Herstellungskosten und vereinfacht die Montage und erreicht
folglich ein zuverlässigeres
Produkt.