EP1428288B1 - Koppelelement für eine hf-streifenleiterstruktur - Google Patents

Description

• Die Erfindung geht aus von einem Koppelelement für eine HF-Streifenleiterstruktur auf einem HF-Substrat.
Stand der Technik
• Für die gleichspannungsmäßige Entkopplung von Komponenten in der HF-Technik, insbesondere der Radartechnik, werden sogenannte Fingerkoppler oder DC-Blocks eingesetzt. Diese Elemente sind Teil der Streifenleiterschaltung, also als Struktur geätzt. Durch die überlappenden Finger wird das HF-Signal durch eine Bandpaßcharakteristik durchgelassen, Gleichspannung wird jedoch abgeblockt. Diese Bandpaßcharakteristik ist essentiell für die Funktion des Radars, da diese verhindert, dass niederfrequente Anteile des Ansteuerpulses weitergeleitet werden. Eine einfache Serienkapazität ist deshalb nicht ausreichend.
• Die Fingerbreite eines Kopplers 1 ist eine Funktion des Substrates und der Leitungsimpedanz. Die übliche Leitungsimpedanz beträgt standardmäßig 50 Ohm, diese wird durch die Leiterbreite bestimmt. Unter den gegebenen Parametern käme man z.B. auf eine Fingerbreite von 90 µm und einem Spalt von 60 µm. Diese Dimensionen, in Figur 1 dargestellt, können in einem Massenfertigungsprozeß nicht realisiert werden. Um dennoch diesen Koppler realisieren zu können, wird wie Figur 2 zeigt vor und nach dem Koppler 1 eine Leitungstransformation 2 auf eine niedrigere, komplexe Impedanz durchgeführt, mit dem Effekt, dass Fingerbreite und Spalt auf 200 µm bzw. 120 µm anwachsen und somit, wie Figur 2 zeigt, fertigungstauglich sind.
Vorteile der Erfindung
• Mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 ist es möglich, ein Koppelelement für eine Streifenleiterstruktur auf einem HF-Substrat zu realisieren, welches eine gleichspannungsmäßige Entkopplung bei geringem Platzbedarf und ausreichender Breitbandigkeit für HF-Signale, das heißt eine geforderte Bandpaßcharakteristik, aufweist.
• Bei der Erfindung wird eine geätzte Fingerkoppelstruktur auf dem HF-Substrat durch ein diskretes Bauelement auf einem Silizium-Träger realisiert und über Metallisierungen zu den Streifenleiterbahnen der HF-Streifenleiterstruktur kontaktiert.
• Im Gegensatz zu dem eingangs erwähnten Koppelelement sind beim erfindungsgemäßen Koppelelement keine Leitungstransformationen notwendig, die die Bandbreite nachteilig beeinflussen. Leitungstransformationen machen ein Koppelelement schmalbandiger und es besteht die Gefahr zur Schwingungneigung, insbesondere wenn HF-Schalter topologisch in der Nähe sind. Da dies insbesondere bei Radaranwendungen der Fall ist, eignet sich die Erfindung besonders vorteilhaft für diesen Einsatzfall, um vorgenannte Störungen effektiv zu mindern.
• Die Lösung nach der Erfindung erfordert nur einen geringfügigen Mehraufwand und kann vorteilhaft kompatibel zu Pick & Place-Technologien, die für andere HF-Bauteile auf der Streifenleiterstruktur sowieso vorgesehen sind ausgestaltet werden.
• Die Maßnahmen der Erfindung ermöglichen eine mäanderförmige Ausbildung der Fingerkopplerstruktur gemäß Anspruch 2.
• Die Kontaktierung der Metallisierungen zu den Streifenleiterbahnen wird gemäß Anspruch 3 vorteilhaft durch Abstandshalter realisiert, die einen vorgegebenen Luftspalt zwischen Silizium-Träger und HF-Substrat gewährleisten. Durch diese Ausgestaltung lassen sich genauere prozessierbare Verhältnisse schaffen, die bei der Dimensionierung der Fingerkopplerstruktur mitberücksichtigt werden können.
Zeichnungen
• Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung ausgehend von Lösungen des Standes der Technik näher erläutert. Es zeigen
• Figur 1 ein bekanntes Koppelelement für ein HF-Streifenleiterstruktur,
• Figur 2 ein bekanntes Koppelelement für eine HF-Streifenleiterstruktur mit Leitungstransformation,
• Figur 3 das Layout einer HF-Streifenleiterstruktur mit integrierter Fingerkopplerstruktur,
• Figur 4 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Koppelelement,
• Figur 5 ein erfindungsgemäßes Koppelelement in der Aufsicht,
• Figur 6 ein erfindungsgemäßes Koppelelement in Mäanderstruktur,
• Figur 7 und 8 das Frequenzverhalten von Koppelelementen nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
• Das in Figur 1 dargestellte bekannte Koppelelement weist eine Fingerkopplerstruktur 1 auf, mit zwei parallel zueinander verlaufenden sich überlappenden Streifenleitern in Fingerform, die jeweils in Pads 20 enden. Die Kopplung erfolgt hier im Wesentlichen kapazitiv. Die sich überlappenden Finger gewährleisten für Hochfrequenzsignale ein Bandcharakteristik, wo hingegen Gleichanteile und niederfrequente Anteile blockiert werden. Die Länge eines solchen Koppelelements beträgt 2,75 mm mit einer Padbreite von 0,638 mm. Figur 3 zeigt ausschnittsweise das Layout einer solchen Fingerkopplerstruktur innerhalb einer HF-Streifenleiterstruktur. Wie eingangs aufgezeigt, ist für die Realisierung eines solchen Koppelelements in einem Massenfertigungsprozeß eine Leitungstransformation notwendig. Figur 2 zeigt eine solche Struktur mit Leitungstransformationen 2. Die gesamte Baulänge steigt dadurch auf 6,15 mm.
• Bei dem erfindungsgemäßen Koppelelement gemäß den Figuren 4 und 5 ist eine Streifenleiterstruktur 4 auf einem üblichen HF-Substrat 5 aufgebracht. Die Fingerkopplerstruktur 1, die die Bandpaßcharakteristik für HF-Signale gewährleistet, an sich ist als diskretes Bauelement als Dünnschicht-Struktur 6 auf einem HF-tauglichen Silizium-Träger 7 realisiert. Wegen der höheren Dielektrizitätszahl von Silizium ergeben sich nun z.B. eine Spaltbreite von 50 µm und eine Fingerdicke von 20 µm. Durch die bei Siliziumwavern eingesetzten Dünnschichtprozessen sind Leiter- und Spaltdimensionen in der Größenordnung von 1 bis 2 µm realisierbar. Die Kontaktierung der Streifenleiterbahnen der HF-Streifenleiterstruktur 4 mit der Fingerkopplerstruktur 1 erfolgt über Metallisierungen 8, die in Form von Abstandshaltern 9, sogenannten Bumps zwischen flächigen Pads 20 des Bauelements und den Streifenleitern 4 vorgesehen sind. Diese Abstandshalter 9 sitzen beim Kleben auf der Streifenleiterbahn auf und stellen einen definierten Abstand des diskreten Bauteiles mit der Fingerkopplerstruktur 1 zum HF-Substrat 5 ein. Dies ist wichtig, da die Dimensionen der Finger jetzt nicht mehr alleine vom HF-Substrat und der-Leitunsgimpedanz abhängig sind, sondern noch zusätzlich von den Eigenschaften des Siliziums und dem Luftspalt zwischen dem HF-Substrat 5 und dem Bauteil. Diese Dimensionen und Daten sind bei der Entwicklung mit einzubeziehen. Kritisch erweist sich hier die Höhe des Luftspaltes. Diese wird durch die Abstandshalter reproduzierbar eingestellt.
• Dadurch, dass sich die effektive Dielektrizitätszahl durch die hochdielektrizitiven Siliziumträger um den Faktor 2,2 erhöht, wird die Fingerlänge um die Wurzel dieses Betrages verkürzt und bereits hiermit Platz gespart. Weiterhin werden, da im 50 Ohm-System geblieben wird und keine Impedanztransformationen erforderlich sind, durch den Wegfall der Leitungstransformationen weitere 2,6 mm eingespart. Effektiv wurde damit der Koppler von 6,15 mm auf 2 mm verkleinert (Fig. 5).
• Da nun die Leiterbreite auf dem HF-Substrat 0,64 mm beträgt, kann diese Breite komplett dem Bauteil zu Verfügung stehen. Das Bauteile wurde deshalb auf 0,6 mm verbreitert und die Fingerstruktur als Mäander verlegt. Durch diese Maßnahme wurde die Länge weiter reduziert und beträgt nunmehr noch 1 mm bei einer Padbreite von 0,4 mm (Fig. 6).
• Der einfache Aufbau des Koppelelements, das nur aus dem Träger 7 und zwei einfachen Metallisierungen (Struktur 6 und Bumps 2) besteht, ist mit einem einfachen Halbleiterprozeß extrem kostengünstig zu realisieren. Diese Bauteile werden auf einen Reel gezogen und sind mit regulären Maschinen, die zur Bestückung mit weiteren Bauteilen 10 sowieso erforderlich sind, automatisch plazierbar.
• Die Figuren 7 und 8 zeigen das Frequenzverhalten (Frequenz in GHz über Dämpfung in dB) des Koppelelements bei herkömmlicher Realisierung sowie bei Realisierung nach der Erfindung. In Figur 7 ist mit Bezugszeichen 11 der S11-Parameter und mit 12 der S21-Parameter der Struktur nach Figur 2 dargestellt. Mit Bezugszeichen 13 ist der S11-Parameter der Struktur nach Figur 1 dargestellt und mit 14 der S21-Parameter.
• Figur 8 zeigt mit Bezugszeichen 15 den S11-Parameter der erfindungsgemäßen Struktur nach Figur 5 und mit 16 den S21-Parameter. Das verbesserte Bandpaßverhalten nämlich die höhere Bandbreite im Durchlaßbereich der erfindungsgemäßen Struktur ist offensichtlich.

Claims (6)

1. Koppelelement für eine HF-Streifenleiterstruktur (4) auf einem HF-Substrat (5) bestehend aus einer Fingerkopplerstruktur (1), welche als Dünnschicht-Struktur (6) auf einem Silizium-Träger (7) realisiert ist und über Metallisierungen (8) zu den Streifenleiterbahnen der HF-Streifenleiterstruktur (4) kontaktiert ist.
2. Koppelelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fingerkopplerstruktur (1) mäanderförmig ausgebildet ist.
3. Koppelelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungen (8) zu den Streifenleiterbahnen in Form von Abstandshaltern (9) vorgesehen sind, die insbesondere bei Aufbringen des Silizium-Trägers (7) auf die Streifenleiterbahnen einen vorgegebenen Luftspalt zwischen Silizium-Träger (7) und HF-Substrat gewährleisten.
4. Koppelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Kontaktieren der Fingerkopplerstruktur (1) mit den Metallisierungen (8) flächige Pads (20) innerhalb der Dünnschicht-Struktur (6) vorgesehen sind
5. Koppelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschicht-Struktur (6) auf dem Silizium-Träger (7) kompatibel zu Pick & Place-Fertigungstechnologien ausgebildet ist.
6. Verwendung des kapazitiven Koppelelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Bandpaß für Hochfrequenzsignale bei gleichzeitiger Blockierung von Gleich- und niederfrequenten Anteilen, insbesondere für Radaranwendungen.

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