DE69811069T2 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden zweier millimeterelemente - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verbinden zweier millimeterelemente

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden zweier Millimeterelemente. Die Millimeterelemente werden mit Signalen verwendet, deren Frequenz typisch höher als 30 GHz ist.
  • Sie ermöglicht insbesondere, zwei Millimeterelemente miteinander zu verbinden, die aus einer Millimeterschaltung bestehen, die auf einer gedruckten Schaltung, die Leiterbahnen vom Mikrostreifentyp verwendet, verwirklicht ist.
  • Die gedruckten Schaltungen, auf denen die Millimeterschaltungen verwirklicht sind, enthalten Übertragungsleitungen, die prinzipiell von zwei verschiedenen Typen sind.
  • Der erste Typ ist der sogenannte koplanare Typ. In diesem Fall benutzt die gedruckte Schaltung koplanare Leitungen. Eine koplanare Leitung besteht aus einer Leiterbahn, die von zwei Masseebenen umgegeben ist, die symmetrisch beiderseits der Leiterbahn angeordnet sind, wobei sich die Leiterbahn und die Masseebenen auf derselben Fläche des Substrats der gedruckten Schaltung befinden. Die Verbindungen zwischen Millimeterschaltungen sind durch Drähte verwirklicht. Diese Verbindungen können Störungen einführen, wenn die miteinander zu verbindenden Schaltungen zu weit voneinander entfernt sind. Es entsteht nämlich horizontal zwischen dem mittigen Leiter, der mit der Leiterbahn verbunden ist, und den beiderseits dieses angeordneten seitlichen Leitern, die mit den Masseebenen verbunden sind, ein elektrisches Feld. Der Wellenwiderstand dieser Übertragungsleitung ist vor allem durch das Verhältnis zwischen der Breite des Leiters und der Breite des Zwischenraums zwischen dem mittigen Leiter und den seitlichen Leitern sowie durch die Dieleketrizitätskonstante der Trägersubstanz, die Luft ist, bestimmt.
  • Der zweite Typ ist der sogenannte Mikrostreifentyp. In diesem Fall benutzt die gedruckte Schaltung Mikrostreifen-Leiterbahnen. Die gedruckte Schaltung umfaßt folglich ein dielektrisches Substrat mit zwei Hauptflächen, einer oberen und einer unteren Fläche. Auf der oberen Fläche ist ein Leiter in Form eines Streifens verwirklicht, während über der gesamten unteren Fläche ein Masseleiter verwirklicht ist. Entsprechend dieser Anordnung entsteht ein elektrisches Feld zwischen dem Streifenleiter und dem Masseleiter. Bei der Verwirklichung einer Ultrahochfrequenzvorrichtung sind unterschiedliche Millimeterelemente in einem besonderen Metallrahmen angeordnet. Die Millimeterelemente können aus Millimeterschaltungen bestehen, die auf einer gedruckten Schaltung auf Substraten oder Komponenten verwirklicht sind. Jedes Millimeterelement ist auf einer auf den Metallrahmen aufgeschraubten Sohle angebracht. Unter diesen Bedingungen wird die Weiterführung der Masse einerseits durch Verlöten oder durch eine leitfähige Klebung über der gesamten Oberfläche der gedruckten Schaltung und andererseits durch das Verschrauben der Sohle auf dem Metallrahmen erreicht. Im Bereich der Millimeterfrequenzen kann die Weiterführung der Masse der vordem beschriebenen Ultrahochfrequenzvorrichtung von nicht ausreichender Qualität sein. Insbesondere, wenn die Weiterführung der Masse beispielsweise über einen Kontakt zwischen einem auf den Rahmen geschraubten Gehäuse und dem Rahmen hergestellt wird, könnte diese von geringer Qualität sein, beispielsweise wenn das Verschrauben unzureichend ist oder wenn die Kontaktflächen beispielsweise nicht völlig eben sind. Außerdem können, wenn zwei miteinander zu verbindende Millimeterschaltungen voneinander entfernt sind, die vorher beschriebenen Techniken nicht eingesetzt werden.
  • Das Dokument D1: ABSTRACTS OF JAPAN, Bd. 12, Nr. 217 (E-624), 21.
  • Juni 1998, offenbart ein Verfahren zum Verbinden zweier Millimeterelemente. Jedes Element umfaßt einen Masseleiter, wobei sich ein Ende der Masse in der Verlängerung dieses Leiters und der Leiterstreifen, die ermöglichen, die Masseenden eines ersten Millimeterelements mit denjenigen eines zweiten Millimeterelements zu verbinden, sowie der Verbindung dieser Leiterbahnen befindet. Das HF- Signal läuft vom Masseleiter des ersten Millimeterelements über die punktförmigen Masseenden und die Leiterstreifen zum Masseleiter des zweiten Millimeterelements.
  • Das Ziel der Erfindung besteht darin, die oben genannten Nachteile zu beseitigen.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines ersten und eines zweiten Millimeterelements, die auf einem dielektrischen Substrat verwirklicht sind, das eine obere Fläche und eine untere Fläche aufweist, an einem Ende durch einen Rand mit bestimmter Länge begrenzt ist, wenigstens eine Schmalseite aufweist und mit einer gedruckten Schaltung versehen ist, die Leiterbahnen verwendet, die mit einer Masseebene in Wechselwirkung stehen, wobei das Verfahren umfaßt: einen Schritt, bei dem eine erste Leiterbahn, die zu dem ersten Millimeterelement gehört, und eine zweite Leiterbahn, die zu dem zweiten Millimeterelement gehört, ausgewählt werden, einen Schritt, bei dem auf der oberen Fläche des dielektrischen Substrats des ersten Millimeterelements beiderseits eines Endes der ersten Leiterbahn wenigstens zwei Verbindungszonen ausgebildet werden, die auf dem Potential der Masseebene liegen und längs des Randes des dielektrischen Substrats verteilt sind, und bei dem in analoger Weise mit der gleichen Verteilung die gleiche Anzahl von Verbindungszonen auf der oberen Fläche des dielektrischen Substrats des zweiten Millimeterelements und beiderseits eines Endes der Leiterbahn verwirklicht werden, einen Schritt, bei dem mittels bestimmter Verbindungen die erste Leiterbahn mit der zweiten Leiterbahn verbunden wird und jede der Verbindungszonen der ersten Millimeterschaltung einzeln mit einer Verbindungszone und einer einzigen zweiten Millimeterschaltung verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungszonen durch eine Metallisierung, die auf der gesamten Schmalseite unterhalb des Randes mit Ausnahme einer Zone, die sich senkrecht unter der Leiterbahn befindet, aufgebracht ist, auf Massepotential gelegt werden.
  • Die Leiterbahnen sind beispielsweise vom Mikrostreifentyp.
  • Die bestimmten Verbindungen können Golddrähte oder Lötdrähte oder auch durch eine Vorrichtung verwirklicht sein, die aus Drähten besteht, die durch Photoätzung auf einer kleinen Platte durchgeschnitten und durch Elektroschweißen mit dem ersten Millimeterelement verbunden werden und dann mit dem zweiten Millimeterelement durch eine Schwallöt- oder Dampfphasenlöt-Technik verlötet werden.
  • Die bestimmten Verbindungen können außerdem aus wenigstens einer koplanaren Leitung bestehen, die aus einer Leiterbahn besteht, die durch eine erste und eine zweite Masseebene begrenzt auf einem Substrat mit hoher Dielektrizitätskonstante verwirklicht und so dimensioniert ist, daß sie eine charakteristische Impedanz besitzt.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Millimeterelement gemäß Anspruch 7.
  • Die Leiterbahnen sind beispielsweise vom Mikrostreifentyp.
  • Die Erfindung wird besser verstanden und ihre Vor- und Nachteile werden deutlicher anhand der folgenden Beschreibung, die nicht einschränkend zur Veranschaulichung mit Bezug auf die Figuren gegeben ist. Es zeigen:
  • - Fig. 1 ein Ende einer ersten Millimeterschaltung;
  • - Fig. 2 eine Schnittansicht der Millimeterschaltung von Fig. 1;
  • - Fig. 3 ein Ende einer zweiten Millimeterschaltung;
  • - Fig. 4 eine Schnittansicht der Millimeterschaltung von Fig. 3;
  • - Fig. 5 zwei Millimeterschaltungen, die nach einem Verfahren gemäß der Erfindung verbunden sind;
  • Fig. 6 eine Vorrichtung, die nach einem Verfahren gemäß der Erfindung eine erste Millimeterschaltung mit einer zweiten Millimeterschaltung verbindet;
  • - Fig. 7 eine Schnittansicht der in Fig. 6 dargestellten Gesamtheit;
  • - Fig. 8 ein Millimeterelement, das nach einem Verfahren gemäß der Erfindung zur Montage der Komponenten auf der Oberfläche und Verbindung mit einem Substrat angebracht ist.
  • In den verschiedenen Figuren sind einander entsprechende Elemente jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen dargestellt.
  • Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ende einer gedruckten Schaltung einer Millimeterschaltung. Fig. 2 ist eine Schnittansicht längs der Achse AA' der in Fig. 1 gezeigten gedruckten Schaltung. Die gedruckte Schaltung ist auf einem dielektrischen Substrat 1 verwirklicht, das eine obere Fläche 2 und eine untere Fläche 3 besitzt. Das gezeigte Ende des dielektrischen Substrats 1 endet mit einem Rand 4 mit einer bestimmten Länge 5, beispielsweise in der Größenordnung von 5 mm. Die Millimeterschaltung verwirklicht zwischen wenigstens einem ersten und einem zweiten ausgezeichneten Punkt eine besondere Funktion, beispielsweise eine Filterung. Um diese besondere Funktion verwirklichen zu können, kann die Millimeterschaltung beispielsweise nicht gezeigte Bauelemente wie etwa Kondensatoren enthalten, wobei im Rahmen der Erfindung die benutzten Frequenzen vorzugsweise höher als 30 GHz sind. Unter Berücksichtigung der besonderen Probleme, die mit den Ultrahochfrequenzen im Zusammenhang stehen, verwenden die gedruckten Schaltungen der Millimeterschaltungen Übertragungsleitungen. Eine Übertragungsleitung ist als eine Leiterbahn verwirklicht, die mit einer Masseebene in Wechselwirkung steht. Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte gedruckte Schaltung verwendet Leiterbahnen vom Mikrostreifentyp. Diesem Typ entsprechend ist eine Leiterbahn ein Leiter 6 in Form eines Streifens, der sich auf der oberen Fläche 2 des dielektrischen Substrats 1 befindet. Der Leiter 6 steht in Wechselwirkung mit einer Masseebene 7, welche die gesamte untere Fläche 3 des dielektrischen Substrats 1 bedeckt, wodurch ein elektrisches Feld zwischen dem Leiter 6 und der Masseebene 7 erzeugt wird. Um die erste Millimeterschaltung, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist mit einer zweiten (nicht gezeigten) Millimeterschaltung zu verbinden, wird während eines eisten Schritts auf der ersten Millimeterschaltung der Leiter 6 ausgewählt.
  • Der nachfolgende Schritt besteht darin, wenigstens zwei Verbindungszonen 8 auf der oberen Fläche 2 des dielektrischen Substrats 1 beiderseits eines Endes der ersten ausgewählten Leiterbahn, dem Leiter 6, zu schaffen. Diese Verbindungszonen 8 weisen die Besonderheit auf, daß sie auf das Potential der Masseebene 7 gelegt werden. Entsprechend dem gewählten Beispiel, das durch die Fig. 1 und 2 veranschaulicht ist, werden die Verbindungszonen 8 mittels einer metallisierten Durchführung 9, die die Dicke 10 des dielektrischen Substrats 1 durchquert, auf das Potential der Masseebene 7 gelegt. Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erfolgt der Anschluß der Verbindungszonen 8 an das Potential der Masseebene 7 durch eine Metallisierung über eine Schmalseite des dielektrischen Substrats 1, wie in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht ist. Fig. 4 ist eine Seitenansicht der Fig. 3, entsprechend dem Pfeil B. Die in Betracht gezogene Schmalseite ist vorzugsweise diejenige, die sich unter dem Rand 4 befindet. Um keine zusätzliche Endkapazität zu schaffen, bedecken die metallisierten Teile 11 der Schmalseite die Gesamtheit der Schmalseite mit Ausnahmen der Zone 12 der Schmalseite, die sich senkrecht zu dem Leiter 6 befindet. Die Verbindungszonen 8 sind längs des Rands 4 des dielektrischen Substrats 1 angeordnet, damit eine elektrische Kontinuität zwischen den Verbindungszonen 8 und den metallisierten Teilen 11 der Schmalseite besteht. Der letzte Schritt des Verfahrens ist mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben.
  • Die erste Leiterbahn 6, die vorher ausgewählt worden ist und zu einer ersten Millimeterschaltung 13 gehört, ist gemäß einer ersten Ausführungsform mittels Golddrähten 14 an eine zweite Leiterbahn 15, die zu einer zweiten Millimeterschaltung 16 gehört, angeschlossen. Jede der einzeln genommenen Verbindungszonen 8 der ersten Millimeterschaltung 13 ist mit Hilfe eines Golddrahts 14 mit einer und nur mit einer einzigen Verbindungszone 8 der zweiten Millimeterschaltung 16 verbunden. In dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel ist jede Millimeterschaltung 13, 16 mit zwei Verbindungszonen 8 ausgestattet, die längs des Rands 4 des dielektrischen Substrats 1 angeordnet sind. Die in Fig. 5 veranschaulichte Verbindung mittels Golddrähten kann unmöglich sein, beispielsweise wenn die beiden miteinander zu verbindenden Millimeterschaltungen zu weit voneinander entfernt sind. Gemäß einer zweiten Ausführungsform werden die Verbindungen zwischen der ersten und der zweiten Millimeterschaltung durch Lötdrähte verwirklicht. Gemäß einer dritten Ausführungsform werden die Verbindungen zwischen der ersten und der zweiten Millimeterschaltung durch eine besondere Vorrichtung verwirklicht, die unter der angelsächsischen Bezeichnung "lead frame" bekannt ist. Diese Vorrichtung besteht aus Drähten, die durch Photoätzung auf einer kleinen Platte durchtrennt sind. Während des Verfahrens werden die Drähte durch Elektroschweißen an das erste Millimeterelement angeschweißt und dann gemäß einer besonderen Technik, beispielsweise vom Typ Schwallöten oder vom Typ Dampfphasenlöten, auf das zweite Millimeterelement gelötet.
  • Eine Variante des Verfahrens ermöglicht, das Problem der Verbindung zu beseitigen, dessen Lösung die drei vorhergehenden Ausführungsbeispiele nicht erlauben. Die Variante ist durch die Fig. 6 und 7 veranschaulicht. Fig. 7 ist eine Schnittansicht längs der Achse CC' der in Fig. 6 gezeigten Millimeterschaltung. Gemäß dieser Variante wird die Verbindung zwischen den beiden Millimeterschaltungen 13 und 16 mittels einer koplanaren Leitung 17 geschaffen. Die koplanare Leitung 17 ist auf einem Substrat 1 mit einer bestimmten Dicke 18 und einer großen Dielektrizitätskonstanten, wie beispielsweise Aluminiumoxid, verwirklicht. Die koplanare Leitung 17 ist aus einer Leiterbahn 19 mit einer bestimmten Breite W gebildet, die von zwei Masseebenen 20 eingefaßt ist, die symmetrisch beiderseits der Leiterbahn 19 auf derselben oberen Seite 21 des Substrats angeordnet sind. Die Leiterbahn 19 und die beiden Masseebenen 20 können durch Ablagerung und Photoätzung von dünnen Schichten erhalten werden. Die Leiterbahn 19 ist von jeder der beiden Masseebenen 20 durch einen nicht metallisierten Zwischenraum 22 mit einer bestimmten Breite 5 getrennt. Vorzugsweise sind die Werte der Breite W der Leiterbahn 19, der Breite S des Zwischenraums 22, der die Leiterbahn 19 von den beiden Masseebenen 20 trennt, und die Dielektrizitätskonstante des Substrats 1 so festgelegt, daß die koplanare Leitung 17 einen Wellenwiderstand besitzt, der gleich dem Wellenwiderstand der Leiterbahnen 6 und 15 ist, die den zu verbindenden Millimeterschaltungen 13 und 16 angehören, beispielsweise einen Wellenwiderstand von 50 Ohm. Die koplanare Leitung 17 wird auf den beiden zu verbindenden Millimeterschaltungen 13 und 16 mit der oberen Fläche 21 gegenüber den oberen Flächen 2 der beiden Millimeterschaltungen 13 und 16 angeordnet. Sie wird dann mit Hilfe einer Technik, wie sie beispielsweise verwendet wird, um oberflächenmontierte Komponenten anzulöten, etwa mit einer Schwallöttechnik, angelötet. Nach Abschluß des Lötvorgangs ist eine elektrische Kontinuität von sehr guter Qualität zwischen den Leiterbahnen 6 und 15 der beiden Millimeterschaltungen 13 und 16 und zwischen den Verbindungszonen 8 der beiden Millimeterschaltungen 13 und 16 sichergestellt.
  • In bestimmten Konfigurationen, insbesondere denjenigen, die mit Techniken der Oberflächenmontage im Zusammenhang stehen, können sich die Masseebenen der miteinander zu verbindenden Millimeterelemente nicht in der gleichen geometrischen Eben befinden. Unter diesen Bedingungen wird die Verbindung der Millimeterelemente gemäß einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens verwirklicht. In dem Fall eines auf ein Substrat übertragenen Millimeterelements werden nach der Auswahl der Leiterbahnen und der Schaffung der Verbindungszonen die Verbindungen zwischen den Leiterbahnen und den Verbindungszonen direkt durch Löten, beispielsweise durch Schwallöten, hergestellt. In einem Schritt zur Vorbereitung des Verfahrens wird ein Loch in dem Substrat ausgebildet, um mechanische oder elektrische Probleme bei der Übertragung des Millimeterelements auf das Substrat zu vermeiden. Bei diesen Konfigurationen können unter bestimmten Bedingungen Mängel bei der Weiterführung der Masse auftreten. Sie stören das lokale elektrische Feld und verschlechtern die Leistung des Millimeterelements. Eine Variante des Verfahrens ermöglicht, dieses Problem zu lösen. Gemäß der in Fig. 8 gegebenen Veranschaulichung sind die Verbindungszonen 8 längs eines Rands 4 des dielektrischen Substrats 1 des aufgesetzten Millimeterelements 13 sowie gegenüber auf dem Substrat der Übertragung 23 verteilt. Insbesondere sind zwei zusätzliche Verbindungszonen 8 mit einem großen Abstand 24 zur Leiterbahn 6 geschaffen worden. Dieser Abstand 24 ist derart, daß sich die zusätzlichen Verbindungszonen 8 in den Ecken des dielektrischen Substrats des aufgesetzten Millimeterelements 13 befinden, wenn die Breite 5 des dielektrischen Substrats 1 zwischen etwa dem Dreifachen der Breite 25 der Leiterbahn 6 und dem Hundertfachen eben dieser Breite 25 liegt.
  • Das Verbindungsverfahren ist im wesentlichen im Hinblick auf Millimeterschaltungen beschrieben worden, die Leiterbahnen vom Mikrostreifentyp verwenden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Verbinden eines ersten (13) und eines zweiten (16) Millimeterelements, die auf einem dielektrischen Substrat (1) verwirklicht sind, das eine obere Fläche (2) und eine untere Fläche (3) aufweist, an einem Ende durch einen Rand (4) mit bestimmter Länge (5) begrenzt ist, eine Schmalseite (11) aufweist und mit einer gedruckten Schaltung versehen ist, die Leiterbahnen (6, 15) verwendet, die mit einer Masseebene (7) in Wechselwirkung stehen, wobei das Verfahren umfaßt: einen Schritt, bei dem eine erste Leiterbahn (6), die zu dem ersten Millimeterelement (13) gehört, und eine zweite Leiterbahn (15), die zu dem zweiten Millimeterelement (16) gehört, ausgewählt werden, einen Schritt, bei dem auf der oberen Fläche (2) des dielektrischen Substrats (1) des ersten Millimeterelements (13) beiderseits eines Endes der ersten Leiterbahn (6) wenigstens zwei Verbindungszonen (8) ausgebildet werden, die auf dem Potential der Masseebene (7) liegen und längs des Randes (4) des dielektrischen Substrats (1) verteilt sind, und bei dem in analoger Weise mit der gleichen Verteilung die gleiche Anzahl von Verbindungszonen (8) auf der oberen Fläche (2) des dielektrischen Substrats (1) des zweiten Millimeterelements (16) und beiderseits eines Endes der Leiterbahn (15) verwirklicht werden, und einen Schritt, bei dem mittels bestimmter Verbindungen (14, 17) die erste Leiterbahn (6) mit der zweiten Leiterbahn (15) verbunden wird und jede der Verbindungszonen (8) der ersten Millimeterschaltung (13) einzeln mit einer Verbindungszone (8) und einer einzigen zweiten Millimeterschaltung (16) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbindungszonen (8) durch eine Metallisierung, die auf der gesamten Schmalseite (11) unterhalb des Randes (4) mit Ausnahme einer Zone (12), die sich senkrecht unter der Leiterbahn (6, 15) befindet, aufgebracht ist, auf Massepotential (7) gelegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (6, 15) vom Mikrostreifentyp sind.
3. . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmten Verbindungen Golddrähte (14) sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmten Verbindungen Lötdrähte sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmten Verbindungen durch eine Vorrichtung verwirklicht sind, die aus Drähten besteht, die durch Photoätzung auf einer kleinen Platte durchgeschnitten und durch Elektroschweißen mit dem ersten Millimeterelement verbunden werden und dann mit dem zweiten Millimeterelement durch eine Schwallöt- oder Dampfphasenlöt-Technik verlötet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmten Verbindungen aus wenigstens einer koplanaren Leitung (17) bestehen, die aus einer Leiterbahn (19) besteht, die durch eine erste und eine zweite Masseebene (20) begrenzt, auf einem Substrat mit hoher Dielektrizitätskonstante verwirklicht und so dimensioniert ist, daß sie eine bestimmte charakteristische Impedanz besitzt.
7. Millimeterelement, das auf einem dielektrischem Substrat (1) verwirklicht ist, das eine obere Fläche (2) und eine untere Fläche (3) aufweist, an einem Ende durch einen Rand (4) mit bestimmter Länge (5) begrenzt ist und eine Schmalseite (11), eine Masseebene (7), eine auf der oberen Fläche (2) angeordnete Leiterbahn (6, 15), sowie wenigstens zwei Verbindungszonen (8) umfaßt, die auf das Potential der Masseebene (7) gelegt, beiderseits eines Endes der Leiterbahn (6, 15) angeordnet und längs des Randes des dielektrischen Substrats verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Schmalseite (11), die sich unter dem Rand (4) befindet, mit Ausnahme einer Zone (12), die sich senkrecht unter der Leiterbahn (6) befindet, mit einer Metallisierung versehen ist und die Verbindungszonen (8) durch die auf die gesamte Schmalseite (11) aufgebrachte Metallisierung auf das Massepotential (7) gelegt sind.
8. Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (6, 15) vom Mikrostreifentyp sind.
DE69811069T 1997-05-23 1998-05-15 Verfahren und vorrichtung zum verbinden zweier millimeterelemente Expired - Lifetime DE69811069T2 (de)

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