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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von Funkempfängern durch Verbindung von
integrierten Schaltungen in drei Dimensionen.
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Sie ist insbesondere auf die Herstellung
von Empfängern
anwendbar, die unter der Abkürzung GPS
(englisch: Global Positioning System) bekannt sind und in Munition
vom Typ eines Geschosses oder eines Flugkörpers zur Verbesserung der
Abschüsse eingebaut
sind. Die Erfindung kann aber auch auf andere Gebiete erstreckt
werden, sofern ein GPS oder ein Funkempfänger in einem kleinen Volumen
oder in beweglichen Körpern
untergebracht werden soll, wenn diese erheblichen Beschleunigungen
und Verzögerungen
unterliegen.
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Das GPS, das ursprünglich im
Jahr 1973 in den USA für
militärische
Anwendungen entwickelt wurde, hat die Welt der Schifffahrts- und
Flugnavigation revolutioniert und dann Eingang in zivile Anwendungen,
insbesondere für
die Freizeit, gefunden.
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Mithilfe von GPS ist es möglich, in
jedem Augenblick und an jeder Stelle der Erde mithilfe eines Empfängers und
einer Antenne Funksignale zu empfangen, die von mindestens sechs
Satelliten ausgesendet werden und den Benutzer in die Lage versetzen,
seine exakte Position nach Länge,
Breite und Höhe
zu kennen.
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Im Gebiet der Artillerie kann ein
in das Geschoß eingebautes
GPS mithilfe eines Transponders Korrekturbefehle für die Flugbahn
ausgehend von einer Bodenstation übermitteln, oder man kann unmittelbar
ein Korrektursystem für
die Flugbahn ausgehend von der Position des Geschosses und der Koordinaten
eines Zielpunkts steuern.
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Mehrere Probleme treten hierbei auf.
Einerseits müssen
die elektronischen Schaltungen auch unter sehr harten Beschleunigungsbedingungen
von 15000 bis 20000 g während mehrerer
Millisekunden arbeiten und andrerseits muß für bestimmte Arten von Geschossen
der von der Einheit eingenommene Platz sehr gering sein, beispielsweise
in der Größenordnung
von einigen cm3.
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Um diese Probleme zu lösen, kann
man eine Integration in dreidimensionaler Technologie, nachfolgend
3D-Technologie genannt, in Betracht ziehen, wie sie in dem Patent
FR-A-2 670 323 auf den Namen von Thomson-CSF beschrieben ist.
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Das beschriebene Verfahren besteht
darin, eine Verbindung zwischen gestapelten Halbleiterchips mit
je einer integrierten Schaltung zu realisieren.
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Die Halbleiterchips werden miteinander über Anschlußpunkte
fest verbunden. Die Anschlußpunkte
sind je an einer beliebigen der Seiten des Stapels angeschlossen
mit einer Ausnahme, der Basis, die mit einem Substrat einer Druckschaltung
in Kontakt stehen soll. Die Bildung der Anschlüsse der Chips untereinander
erfolgt an den Seiten des Stapels durch Lasergravur.
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Die Anwendung dieses Verfahrens auf
die Herstellung eines GPS für
ein Geschoß erlaubt
es nicht, gewisse Bedingungen hinsichtlich des Volumens zu erfüllen, insbesondere
wegen der parallelepipedischen Form der Chips und wegen der Antenne, die
außen
an die Chips angeschlossen ist. Dies hat auch die Wirkung, daß die so
realisierte Vorrichtung hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigungen
beim Abschuß der
Munition sehr verletzbar ist.
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Ziel der Erfindung ist es, die obigen
Nachteile zu beheben.
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Hierzu ist Gegenstand der Erfindung
ein Verfahren zur Herstellung eines Funkempfängers, der an eine Empfangsantenne
gekoppelt ist, durch Stapelung von Halbleiterchips, die je mindestens
eine integrierte Schaltung sowie Anschlußpunkte besitzen, um die Chips
untereinander zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß es darin
besteht, die äußere Oberfläche der
gestapelten Chips mit Metall zu beschichten, um eine Masse-Ebene
des Empfängers zu
bilden, die Masse-Ebene
mit einem dielektrischen Material zu bedecken, die Oberfläche des
dielektrischen Materials wieder mit Metall zu beschichten und die
Antenne des Empfängers
in der so erhaltenen metallischen Oberfläche zu gravieren.
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Die Erfindung hat auch die Verwendung
des Verfahrens zur Realisierung eines GPS-Empfängers zum Gegenstand, der in
eine Munition eingebaut ist.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung
besteht darin, daß sie
eine Realisierung van in eine Munition eingebauten Funkempfängern erlaubt,
die eine ausreichende Unempfindlichkeit gegen Beschleunigungen besitzen,
denen die Munition ausgesetzt ist. Daher gewährleistet die Erfindung eine
größere Wirksamkeit
der Abschüsse über große Entfernungen,
da bekanntlich ohne eine Vorrichtung zur Korrektur der Flugbahn
die Wirksamkeit sehr schnell mit der Reichweite der Munition wegen
der Zielfehler und der Streufehler abnimmt.
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Bekanntlich ist es jenseits einer
Reichweite von 15 km erforderlich, die Flugbahn zu korrigieren, aber
man braucht, um die gegnerischen Artillerie-Batterieeinheiten in
einem sicheren Abstand zu halten, Reichweiten von 35 km. Für 35 km
beträgt
die typische Abweichung hinsichtlich der Reichweite etwa 600 m und
in Seitenrichtung etwa 200 m.
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Die erfindungsgemäße Realisierung eines Funkempfängers durch
Stapelung von Halbleiterchips mit einer auf die äußere Oberfläche der Chips eingravierten
Antenne bildet ein gutes Mittel, um ein eingebautes Navigationshilfsmittel
darzustellen, das die Munition während
ihres Flugs lokalisieren und eine Korrektur der Flugbahn durchführen kann,
sodaß die
Munition ihr Ziel erreicht.
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Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung
werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt
die verschiedenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines
Flußdiagramms.
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2 zeigt
eine Ausführungsart
in Form der Ver drahtung auf einer TAB-Folie (Tape Automated Bonding).
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3 zeigt
einen integrierten Modul ohne die Antennen.
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4 zeigt
einen integrierten Modul mit der Masse-Ebene der Antenne.
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5 zeigt
einen integrierten Modul mit dem Substrat der Antenne.
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6 zeigt
einen integrierten GPS-Modul in 3D-Technologie.
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Die 7a, 7b und 7c zeigen verschiedene Integrationsmodelle.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in sechs
Schritten 1 bis 6 ab (siehe 1.
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Der Schritt 1 besteht darin,
in bekannter Weise in Form von ASIC-Chips (Application Specific
Integration Circuit) spezifische Komponenten des GPS-Empfängers zu
realisieren.
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Die Verdrahtung der Chips oder diskreten Komponenten
erfolgt im Schritt 2 auf biegsamen Druckschaltungen auf
der Basis von Polyamid, Epoxy oder auch auf einer Folie nach dem
TAB-Verfahren (Tape Automated Bonding). Für einen GPS-Empfänger kann
man vier solche Folien einsetzen, nämlich eine Folie 7 für die Stromversorgung,
zwei Folien 8 und 9 mit der Signalverarbeitungselektronik
und eine Folie 10 für
die Hochfrequenzschaltungen.
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Die Folien 7 bis 10 werden
im Schritt 3 in ein Epoxyharz eingebettet, um Chips zu bilden. Währenddes
Schritts 3 werden die Chips auch gemäß der Form der Fenster der
TAB-Folie ausgeschnitten, und sie werden übereinander gestapelt, um einen
Empfängermodul
zu bilden. Die Verbindungen zwischen den verschiedenen Folienebenen
können
nach dem Verfahren realisiert werden, das in der bereits erwähnten Patentschrift
FR-A-2 670 323 beschrieben ist. Nach der Metallbeschichtung der
Stirnseiten der Chips werden die Querverbindungen zwischen den Chips
durch Lasergravur gebil det, und die Leiterbahnen werden durch eine
Isolationsschicht geschützt. Die
Stapelung der Chips ist in 3 gezeigt.
Gleiche Elemente wie in 2 tragen
dieselben Bezugszeichen. Anschlußpunkte 11 zum Anschluß des Moduls an
eine nicht dargestellte äußere Druckschaltung werden
nach dem bekannten HGA-Verfahren (Hall Grid Array) gebildet. Ausgänge 12a, 12b zum
Anschluß der
Hochfrequenzfolie an die Antenne werden auch gebildet.
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Der Schritt 4 besteht darin
(4), eine Metallschicht
auf die äußeren Seiten
des aus gemäß dem Schritt 3 gestapelten
Chips zusammengesetzten Moduls aufzubringen, um die Masse-Ebene
der Antenne zu erzeugen.
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Im Schritt 5 (5) wird ein dielektrisches Material
mit hoher Dielektrizitätskonstante
auf die Seiten des Moduls aufgebracht und darauf im Schritt 6 eine
Metallschicht, die in Form der Antennen 13a, 13b graviert
wird, wie 6 zeigt. Die
Antennen sind vorzugsweise um den ganzen Modul herum graviert, sodaß stets
eine Antenne aktiv ist, also in der Lage ist, Daten vom GPS-Satellitennetz
zu empfangen, wenn sich die Munition um sich selbst dreht.
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Grundsätzlich ermöglicht die 3D-Technologie eine
Realisierung in verschiedensten Formen und die Verwendung von Antennen
gleicher Form oder von Mikrostripantenne, die im Englischen Patch
genannt werden und deren Gravur an der Oberfläche der Moduln graviert wird.
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Die 6a bis 6c zeigen verschiedene Integrationslösungen,
die bestimmte Volumenbedingungen erfüllen können.
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6a zeigt
eine Realisierung eines würfelförmigen Moduls
und Patch-Antennen an vier Seiten des Würfels.
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6b zeigt
einen zylindrischen Modul mit einer rundum verlaufenden Bandantenne.
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Schließlich zeigt 6c einen Modul in Form eines zylindrischen
Kegels mit einer Antenne aus mehreren Adern.
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7 zeigt
einen nach dem erfindungsgemäßen verfahren
hergestellten GPS-Modul, der in einen Artillerieflugkörper eingebaut
ist. Gemäß dieser Ausführungsform
liegt der GPS-Modul 14 in der Nase des Flugkörpers. Man
kann erkennen, daß er
sehr geringe Abmessungen hat in Richtung der Längsdimension des Flugkörpers, die
in diesem Beispiel etwa 145 mm beträgt, während der maximale Durchmesser
etwa 50 mm beträgt.
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Die obige Beschreibung, die sich
auf eine Realisierung vom Typ GPS bezieht, schränkt aber die Erfindung nicht
ein. Selbstverständlich
kann die Erfindung auch auf die Miniaturisierung beliebiger Funkempfänger angewendet
werden, insbesondere wenn der Empfänger in einem rauhen mechanischen Umfeld
funktionieren und doch wenig Platz einnehmen soll.