EP4645590A1 - Hochfrequenzchipanordnung, sensor und verfahren zur herstellung - Google Patents

Hochfrequenzchipanordnung, sensor und verfahren zur herstellung

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EP4645590A1
EP4645590A1 EP25169675.3A EP25169675A EP4645590A1 EP 4645590 A1 EP4645590 A1 EP 4645590A1 EP 25169675 A EP25169675 A EP 25169675A EP 4645590 A1 EP4645590 A1 EP 4645590A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
frequency chip
frequency
potting compound
chip arrangement
Prior art date
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Pending
Application number
EP25169675.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Schultheiss
Christoph Müller
Christian WEINZIERLE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vega Grieshaber KG
Original Assignee
Vega Grieshaber KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vega Grieshaber KG filed Critical Vega Grieshaber KG
Publication of EP4645590A1 publication Critical patent/EP4645590A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01Q19/062—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens for focusing

Definitions

  • the invention relates to a high-frequency chip arrangement, an industrial sensor and a method for manufacturing the high-frequency chip arrangement.
  • the high-frequency (HF) signal is carried from the HF chip via a bond connection to a separate emitting element, spaced away from the HF chip, which emits the radar waves.
  • the HF chip to protect the chip and the bond wires, is then encapsulated, for example, with a so-called globtop, i.e., potting compound.
  • a so-called globtop i.e., potting compound.
  • the HF signal is usually emitted directly from the HF chip via a primary radiator. This requires that the chip be operated with as little interference as possible from the surrounding medium.
  • One objective of the invention could therefore be to provide an improved high-frequency chip arrangement for radar frequencies above 100 GHz in explosion-proof areas.
  • the described embodiments similarly relate to the high-frequency chip assembly, an industrial sensor, and a method for manufacturing the high-frequency chip assembly. Synergies may arise from various combinations of the embodiments, although these may not be described in detail.
  • a high-frequency chip assembly comprises a high-frequency chip configured to radiate and receive high-frequency waves, and a cavity-enclosing first housing consisting of a housing cover and a substrate, wherein the first housing surrounds the high-frequency chip when the housing cover is attached to the substrate.
  • the high-frequency chip is positioned on the top side of the substrate such that it radiates the high-frequency waves away from the substrate.
  • the substrate, the high-frequency chip, and the first housing form a module.
  • the high-frequency chip assembly comprises a second housing that surrounds at least the module, wherein a space between the module and the second housing is filled with a potting compound, such that the module is completely surrounded by the potting compound and the high-frequency waves pass through the first housing, the potting compound, and the second housing.
  • the high-frequency chip assembly is particularly suitable for use in potentially explosive atmospheres. This is achieved through the two housings, with the first, inner housing containing a cavity that is filled with gas, air, or a vacuum, thus preserving the dielectric properties around the chip and preventing any degradation of its RF characteristics.
  • a potting compound is located between the first and second housings to ensure explosion protection.
  • the second housing surrounds at least the module.
  • the module can, for example, be mounted on a printed circuit board (PCB), so that the second housing also surrounds the PCB. This means that, in this case as well, the module is completely encased in the potting compound.
  • the substrate can be limited to the dimensions of the housing lid, that is, the dimensions of the lid's edges that are in contact with the substrate.
  • the module can be a self-contained assembly that can then be mounted, soldered, glued, or otherwise attached to the PCB as a module or "package.”
  • the term "module" is also intended to include the case where the substrate forms a surface of a PCB.
  • the PCB can be considered part of the high-frequency chip assembly.
  • the module can also include the PCB itself, or at least the portion of the PCB that is bounded by the housing.
  • the terms “in the module” or “within the module” are equivalent to "in the first enclosure” or “within the first enclosure.”
  • the “top” of the substrate refers to the side that is in contact with the enclosure.
  • the underside of the substrate is, for example, connected to the printed circuit board.
  • the substrate thus forms the basis for the first enclosure.
  • the enclosure cover can be made, at least partially, of an RF-transparent material, such as plastic or ceramic, and can tightly seal the enclosure.
  • the high-frequency chip arrangement is bidirectional and emits RF waves, for example radar waves, e.g. towards a product, as well as receiving signals, e.g. from the The radio frequency waves are reflected and received by the potting compound, even if the direction of reception is not explicitly mentioned or described in all cases in this disclosure.
  • the term "pass” is synonymous with "go through” or “penetrate.” This means that the radio frequency waves pass through the first housing, penetrate the potting compound, and pass through the second housing. The radio frequency waves can also pass through the second housing, the potting compound, and the first housing in the reverse direction.
  • a key feature of the radio frequency chip arrangement is that the first housing does not contain potting compound but encloses air, whereas the second housing is filled with potting compound.
  • the first and second housings are spaced apart from each other in all dimensions, so that the potting compound completely surrounds the module.
  • the arrangement is suitable for use in potentially explosive atmospheres where, for example, gases can ignite.
  • the radio frequency chip is isolated from the environment by the arrangement.
  • the first housing keeps the potting material away from the high-frequency chip in order to avoid adversely affecting the electrical properties with regard to wave generation and radiation.
  • the following embodiments describe advantageous features for boundary conditions as well as options for how the radar beams are guided through the housings and the potting compound.
  • the first housing encloses a space whose maximum volume corresponds to an explosion protection rating.
  • the housing encloses a space whose air confinement volume is less than 5 cm3 , 3 cm3 , or 2 cm3 , but particularly less than 1 cm3 .
  • the size of the air pocket should be sufficiently small to limit the amount of flammable gases or vapors available in the event of an explosion.
  • a specification from a standard might be relevant here, e.g., less than 1 cm3 .
  • a smaller air pocket limits the potential for explosion. That is, the initial enclosure is large enough not to impair the RF properties, but also small enough to ensure explosion protection.
  • An explosion protection value is a value that can be used, for example, as a threshold value, and which has been determined in advance to avoid or prevent an explosion that would be triggered, for example, by a sudden heat generation, or to keep an explosion small and/or localized. Furthermore, an explosion protection value can be a value or a derived value from a standard.
  • the module has first means for influencing the radiation opening angle of the high-frequency waves
  • the second housing has an area on which the high-frequency waves impinge according to the radiation opening angle and a path of the high-frequency waves at least through the potting compound, which has second means for influencing the radiation opening angle of the high-frequency waves.
  • the beam angle refers to the angle at which the high-frequency waves are ultimately emitted from the high-frequency chip array. This angle can be influenced by widening, focusing, or guiding the high-frequency waves or the beam of high-frequency waves.
  • the first means are a dielectric waveguide attached to the high-frequency chip and/or a lens integrated into the first housing.
  • the waveguide and the integrated lens can either each individually constitute the primary means or they can be combined.
  • the housing cover of the primary housing, positioned above the high-frequency chip can, for example, be equipped with a lens contour, referred to here as the lens, which is suitable for focusing or spreading the high-frequency waves or RF signals as required.
  • the high-frequency chip can illuminate the lens directly with a planar structure as the primary radiator or with an attached dielectric waveguide.
  • the second means are a lens integrated into the second housing, a dielectric waveguide and/or a waveguide.
  • the secondary means can also consist of a dielectric waveguide, an integrated lens, or a waveguide, either individually or in any combination where practical.
  • the dielectric waveguide and the waveguide are used in combination.
  • the dielectric waveguide allows signal to be fed into a waveguide, which can then, for instance, feed a horn antenna or directly illuminate a dielectric lens.
  • the lens can also be integrated into the secondary housing.
  • the first means and the second means have concave or convex lenses, or the first means and the second means are concave or convex lenses.
  • the first means and/or the second means have lenses that are convex on one side.
  • the first means and the second means have lenses or are the first means and the second means whose dimensions are limited to an area illuminated by the high-frequency waves.
  • the concave or convex lenses are therefore not necessarily extended over the entire surface of the housing part or wall through which the high-frequency waves pass, but only over the area where the high-frequency waves strike, or where the majority of the waves strike.
  • the lens of the first housing focuses the high-frequency waves, thus narrowly limiting their area of impact. The lens can then be limited to this area.
  • the first housing and/or the second housing have a flat wall through which the high-frequency waves pass.
  • the shape of the housing is, in principle, arbitrary. However, the flat walls make it easy to integrate the lenses.
  • the wall thickness of a wall of the housing cover through which the high-frequency waves pass is at least 1 mm, and the sum of this wall thickness and a thickness of the potting compound 104 through which the high-frequency waves pass is at least 3 mm.
  • the wall thickness of the housing cover in an area where the high-frequency waves pass through the housing cover is a multiple of I/4, where I is the wavelength of the high-frequency waves.
  • the lens consists of the housing cover, the second housing and the potting compound.
  • the potting compound itself is thus part of a lens, e.g., a gradient or multilayer lens.
  • the two housings can additionally contain a lens, or instead simply represent windows that transmit the radio frequency waves and form the boundary to the lens made of the potting compound.
  • a potting compound with a low dielectric constant and low losses such as Epic Resins S7391-03, is advantageous.
  • other potting compounds such as Sylgard 517, are also possible with appropriate adjustment.
  • the potting compound can also have different layers with varying permittivity. The potting compound can therefore be part of the beam focusing system.
  • the distance between the lens integrated in the first housing and the lens of the second housing assumes a defined value that depends on the dielectric properties of the potting compound.
  • an industrial sensor which has a high-frequency chip arrangement as described herein, as well as electronics connected to the high-frequency chip, and a third housing in which the high-frequency chip arrangement is mounted.
  • the industrial sensor is, for example, a level sensor, a limit value sensor, a radar sensor in robotics applications.
  • a method for manufacturing a high-frequency chip assembly described herein comprises the following steps.
  • a high-frequency chip, a housing cover, a second housing, a substrate, a printed circuit board, and a potting compound are provided.
  • the high-frequency chip is mounted on the substrate. This can be done, for example, by gluing or soldering.
  • the first housing is mounted on the substrate.
  • the module is soldered onto a printed circuit board.
  • the module and the printed circuit board are installed in a second housing.
  • the second housing is potted, so that potting compound is present between the first and second housings, and the first housing is completely enclosed by the potting compound.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a high-frequency chip arrangement 100.
  • the high-frequency chip arrangement 100 comprises a high-frequency chip 112 configured to emit and receive high-frequency waves, and a first housing 114, 115 containing a cavity, e.g., air-filled, gas-filled, or vacuum, consisting of a housing cover 115 and a support substrate 114.
  • the housing 114, 115 thus encloses the high-frequency chip 112 when the housing cover 115 is attached to the support substrate 114 and contains a gas-filled interior 106.
  • the housing cover 115 can, for example, be cylindrical with a "bottom" or pot-shaped. However, it can also assume any other shape, such as hemispherical or with a different number of edges.
  • the high-frequency chip 112 is arranged on a top side of the carrier substrate 114, which faces into the interior of the housing 114, 115, such that it radiates the high-frequency waves away from the carrier substrate 114, that is, onto the opposite inner side of the housing 114, 115.
  • Fig. 1 This is the base of the cylindrical housing cover 115.
  • the support substrate 114, the high-frequency chip 112, and the housing cover 115 of the first housing 114, 115 form a module 110.
  • the high-frequency chip assembly 100 further comprises a second housing 120.
  • the second housing 120 can preferably also be cylindrical or can assume any other geometric shape.
  • the cylindrical second housing is also referred to in this disclosure as an "electronics cup.”
  • the second housing 120 surrounds at least the module 110, with a space 121 between the module 110 and the second housing 120 being filled with a potting compound 104, so that the module 110 is completely surrounded by the potting compound 104.
  • the high-frequency waves thus pass through the first housing 114, 115, the potting compound 104, and the second housing 120. More precisely, the high-frequency waves travel from the high-frequency chip through the gas-filled interior of the housing 106, the base of the cylindrical housing cover 115, and the base of the second cylindrical housing 120 to the outside.
  • the housing cover 115 is, in this example, the Fig. 1 flat. "Flat housing cover 115" here refers to the wall of the housing cover 115 through which the high-frequency waves pass. The same applies to the electronics cup 120.
  • the wall thickness of these walls in the RF propagation area is preferably a multiple of 1/4.
  • the housing cover 115 consists entirely or partially of an RF-transmitting material, e.g., plastic or ceramic. It is soldered or glued onto the substrate 112, so that the resulting first housing 114, 115 tightly seals the interior 106.
  • an RF-transmitting material e.g., plastic or ceramic.
  • the wall thickness of the housing cover 115 is specified as at least 1 mm, and the sum of the wall thickness of the housing cover 115 and the minimum potting compound thickness between the first 114 and 115 is at least 3 mm.
  • the wall thickness of the electronics cup 120 does not need to be considered for explosion protection and can therefore be designed for optimal RF propagation.
  • a dielectric waveguide 116 is mounted directly on the high-frequency chip 112.
  • the base of the housing cover 115 has a first lens 118, and the base of the electronics cup 120 or the second housing 120 has a second lens 122.
  • the lenses 118, 122 can be concave, convex, or as shown in Fig. 2 shown to be designed with a concave-convex shape.
  • FIG. 3 Figure 1 shows another embodiment in which a primary radiator 117 is mounted directly on the chip 112 or on the carrier substrate 114 on which the high-frequency chip 112 is mounted.
  • lenses 118 and 122 are convex.
  • FIG. 4 Figure 1 shows another embodiment with a housing cover 115 which has a convex lens above the high-frequency chip 112 and a half-convex lens in the electronics cup 120.
  • FIG. 5 Figure 1 shows another embodiment with a dielectric waveguide 124 arranged on the electronic cup 102.
  • This waveguide can be manufactured as a single piece with the electronic cup 102 or subsequently inserted from a material such as polypropylene (PP), high-density polyethylene (HDPE), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyetheretherketone (PEEK), etc.
  • PP polypropylene
  • HDPE high-density polyethylene
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PEEK polyetheretherketone
  • Fig. 6 This document describes a method for manufacturing a high-frequency chip arrangement 100 as described herein. The method comprises the following steps:
  • a high-frequency chip 112 is provided, as well as a housing cover 115, a second housing 120, a carrier substrate 114, a circuit board 102 and a potting compound (104);
  • the high-frequency chip 112 is mounted on the substrate 114. This can be done, for example, by gluing or soldering.
  • the first housing cover 115 is mounted on the substrate 114 to form a first housing 114, 115 and a module 110.
  • the substrate 114 forms the basis for the housing 114, 115, which can also be referred to as a "package".
  • the housing cover 115 is made, for example, of an RF-transmitting material, such as plastic or ceramic.
  • the enclosed volume air inclusion
  • the housing cover 115 is equipped, for example, with a lens contour above the RF chip 112, referred to here as the first lens 118. which is suitable for focusing or spreading the RF waves as required.
  • the RF chip 112 can illuminate the first lens 118 directly with a planar structure as a primary radiator or with an attached dielectric waveguide 116.
  • the module 110 is soldered onto a circuit board 102.
  • the module with the circuit board 102 is installed in a second housing 120.
  • the second housing 120 is potted, i.e., the potting compound 104 is poured in, so that potting compound 104 is located between the first housing 114, 115 and the second housing 120, and the first housing 114, 115 is enclosed by the potting compound 104.
  • the distance between the lens 118 integrated in the housing cover 115 and the lens 122 incorporated in the electronics cup 120 is defined and depends on the dielectric properties of the potting compound 104.
  • a potting compound with a low dielectric constant and low losses, such as Epic Resins S7391-03, is advantageous.
  • other potting compounds such as Sylgard 517, are also possible with appropriate adjustment.
  • the resulting multilayer or gradient lens can be used to illuminate another lens in a multi-lens system and to direct the RF energy towards the contents.
  • the wall thickness of the housing cover 115 must be at least 1 mm, and the sum of the wall thickness of the housing cover 115 and the potting compound thickness must be at least 3 mm.
  • Fig. 7 Figure 1 shows an industrial sensor with the high-frequency chip arrangement 100 and a housing 702 of the sensor 700, which is referred to here as the third housing 702.
  • An industrial sensor is, for example, a level sensor, a limit level sensor, a pressure sensor, or a sensor that measures the density or composition/mixture of a substance during a process.
  • Such a sensor can be used particularly in process automation.
  • such an industrial sensor can also be, for example, a radar sensor used in robotics.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzchipanordnung 100. Die Hochfrequenzchipanordnung weist einen Hochfrequenzchip 112 auf, der eingerichtet ist, Hochfrequenzwellen abzustrahlen und zu empfangen, sowie ein hohlraumaufweisendes erstes Gehäuse 114, 115, bestehend aus einem Gehäusedeckel 115 und einem Trägersubstrat 114, wobei das erste Gehäuse den Hochfrequenzchip umgibt, wenn der Gehäusedeckel auf dem Trägersubstrat befestigt ist. Der Hochfrequenzchip ist auf einer Oberseite des Trägersubstrats so angeordnet, dass er die Hochfrequenzwellen von dem Trägersubstrat weg abstrahlt. Das Trägersubstrat, der Hochfrequenzchip und das erste Gehäuse bilden hierbei ein Modul 110. Die Hochfrequenzchipanordnung weist ein zweites Gehäuse 120 auf, das zumindest das Modul umgibt, wobei ein Zwischenraum 121 zwischen dem Modul und dem zweiten Gehäuse mit einer Vergussmasse 104 gefüllt ist, sodass das Modul vollständig von der Vergussmasse umgeben ist und die Hochfrequenzwellen das erste Gehäuse, die Vergussmasse, und das zweite Gehäuse passieren.

Description

    BEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2024 112 205.6, eingereicht am 30. April 2024 , die in vollem Umfang durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen wird.
    • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzchipanordnung, einen industriellen Sensor und ein Verfahren zur Herstellung der Hochfrequenzchipanordnung.
    • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Bei Hochfrequenzchipanordnungen zum Beispiel für Füllstandsensoren wird das Hochfrequenz-(HF-) Signal von dem Hochfrequenzchip über eine Bond-Verbindung zu einem separaten, zu dem Hochfrequenzchip beabstandeten Abstrahlelement geführt, das die Radarwellen emittiert. Der Hochfrequenzchip zum Schutz des Chips und der Bonddrähte werden dann zum Beispiel mit einem sogenannten Globtop, also einem Verguss versehen. Bei der Verwendung von Radarfrequenzen über 100 GHz sind solche herkömmliche Aufbautechnologien nicht mehr möglich. Vielmehr wird in diesen Fällen das HF-Signal in der Regel direkt vom HF-Chip über einen Primärstrahler abgestrahlt. Dies erfordert, dass der Chip möglichst ohne störendes Umgebungsmedium betrieben wird. Bei Radarsensoren, die in explosionsgeschützten Bereichen eingesetzt werden, ist es allerdings üblich die Elektronik zu vergießen. Dadurch verändern sich um den Chip die dielektrischen Eigenschaften und verschlechtern dessen HF-Eigenschaften, so dass ein Vergießen des Chips nicht möglich ist.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der Erfindung könnte daher sein, eine verbesserte Hochfrequenzchipanordnung für Radarfrequenzen über 100 GHz in explosionsgeschützten Bereichen bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren.
  • Die beschriebenen Ausführungsformen betreffen in ähnlicher Weise die Hochfrequenzchipanordnung, einen industriellen Sensor und ein Verfahren zur Herstellung der Hochfrequenzchipanordnung. Synergieeffekte können sich aus verschiedenen Kombinationen der Ausführungsformen ergeben, obwohl sie möglicherweise nicht im Detail beschrieben werden.
  • Ferner ist zu beachten, dass alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die ein Verfahren betreffen, in der beschriebenen Reihenfolge der Schritte ausgeführt werden können, jedoch muss dies nicht die einzige und wesentliche Reihenfolge der Schritte des Verfahrens sein. Die hier vorgestellten Verfahren können mit einer anderen Reihenfolge der offenbarten Schritte ausgeführt werden, ohne von der jeweiligen Verfahrensausführungsform abzuweichen, sofern im Folgenden nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
  • Fachbegriffe werden in gewöhnlicher Weise verwendet. Wenn bestimmten Begriffen eine bestimmte Bedeutung zugewiesen wird, werden im Folgenden Definitionen von Begriffen angegeben, in deren Kontext die Begriffe verwendet werden.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Hochfrequenzchipanordnung bereitgestellt. Die Hochfrequenzchipanordnung weist einen Hochfrequenzchip auf, der eingerichtet ist, Hochfrequenzwellen abzustrahlen und zu empfangen, sowie ein hohlraumaufweisendes erstes Gehäuse, bestehend aus einem Gehäusedeckel und einem Trägersubstrat, wobei das erste Gehäuse den Hochfrequenzchip umgibt, wenn der Gehäusedeckel auf dem Trägersubstrat befestigt ist. Der Hochfrequenzchip ist auf einer Oberseite des Trägersubstrats so angeordnet, dass er die Hochfrequenzwellen von dem Trägersubstrat weg abstrahlt. Das Trägersubstrat, der Hochfrequenzchip und das erste Gehäuse bilden hierbei ein Modul. Die Hochfrequenzchipanordnung weist ein zweites Gehäuse auf, das zumindest das Modul umgibt, wobei ein Zwischenraum zwischen dem Modul und dem zweiten Gehäuse mit einer Vergussmasse gefüllt ist, sodass das Modul vollständig von der Vergussmasse umgeben ist und die Hochfrequenzwellen das erste Gehäuse, die Vergussmasse, und das zweite Gehäuse passieren.
  • Die Hochfrequenzchipanordnung ist insbesondere für einen Einsatz in einer explosionsgefährdeten Umgebung geeignet. Dies wird durch die beiden Gehäuses erreicht, bei dem das erste, innere Gehäuse einen Hohlraum aufweist, der gasgefüllt oder luftgefüllt ist, oder ein Vakuum enthält und somit die dielektrischen Eigenschaften um den Chip nicht ändert und somit sich dessen HF-Eigenschaften nicht verschlechtern. Zwischen dem ersten und zweiten Gehäuse befindet sich eine Vergussmasse, um die Explosionssicherheit zu gewährleisten.
  • Das zweite Gehäuse umgibt zumindest das Modul. Das Modul kann dabei beispielsweise auf einer Leiterplatte montiert sein, so dass das zweite Gehäuse auch die Leiterplatte umgibt. Das heißt, auch in diesem Fall ist das Modul vollständig von der Vergussmasse umgeben. Das Trägersubstrat kann auf die Dimension des Gehäusedeckels, das heißt die Abmessungen der Kanten des Gehäusedeckels, die mit dem Trägersubstrat in Kontakt sind, begrenzt sein. Insbesondere kann das Modul eine eigenständig montierbare Anordnung sein, die dann als Modul oder "Package" auf die Leiterplatte montiert, gelötet, geklebt oder anderweitig auf der Leiterplatte befestigt werden kann. Der Begriff "Modul" soll aber auch den Fall einschließen, dass das Trägersubstrat eine Oberfläche einer Leiterplatte bzw. Platine bildet. Die Leiterplatte kann der Hochfrequenzchipanordnung zugerechnet werden. In einer Betrachtungsweise kann das Modul aber auch die Leiterplatte miteinschließen oder zumindest den Teil der Leiterplatte, der von dem Gehäuse begrenzt wird. Die Begriffe "in dem Modul" oder "innerhalb des Moduls" sind gleichwertig mit "in dem ersten Gehäuse" oder "innerhalb des ersten Gehäuses. Unter "Oberseite" des Trägersubstrats wird die Seite verstanden, die mit dem Gehäuse in Kontakt ist. Die Unterseite des Trägersubstrats ist z.B. mit der Leiterplatte verbunden. Das Trägersubstrat bildet somit die Basis für das erste Gehäuse. Der Gehäusedeckel kann zumindest teilweise aus einem HF-durchlässigen Material, z.B. Kunststoff oder Keramik bestehen und das Gehäuse dicht verschließen.
  • Es versteht sich, dass die Hochfrequenzchipanordnung bi-direktional ist und von ihr sowohl HF-Wellen, beispielsweise Radarwellen, z.B. zu einem Füllgut, abgestrahlt werden, als auch, z.B. von dem Füllgut reflektiert und empfangen werden, auch wenn die Empfangsrichtung in dieser Offenbarung nicht in allen Fällen explizit erwähnt oder beschrieben wird. Der Begriff "passieren" ist mit "hindurchgehen" oder "durchdringen" gleichzusetzen. Das bedeutet, dass die Hochfrequenzwellen durch das erste Gehäuse hindurchgehen, die Vergussmasse durchdringen, und durch das zweite Gehäuse hindurchgehen. Die Hochfrequenzwellen können in umgekehrter Weise das zweite Gehäuse, die Vergussmasse und das erste Gehäuse passieren. Ein wesentlicher Punkt der Hochfrequenzchipanordnung ist, dass das erste Gehäuse keine Vergussmasse beinhaltet, sondern Luft einschließt, jedoch das zweite Gehäuse mit einer Vergussmasse gefüllt ist. Das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse sind voneinander in allen Dimensionen voneinander beabstandet, so dass die Vergussmasse das Modul, vollständig umgibt. Die Anordnung ist geeignet, in einer explosionsgefährdeten Umgebung eingesetzt zu werden, in der sich z.B. Gase entzünden können. Der Hochfrequenzchip wird durch die Anordnung von der Umgebung isoliert. Gleichzeitig wird durch das erste Gehäuse das Vergussmaterial von dem Hochfrequenzchip ferngehalten, um die elektrischen Eigenschaften bezüglich der Wellenerzeugung und Abstrahlung nicht nachteilig zu beeinflussen.
  • In den folgenden Ausführungsformen werden vorteilhafte Merkmale für Randbedingungen beschrieben sowie Optionen, wie die Radarstrahlen durch die Gehäuse und die Vergussmasse hindurchgeführt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umschließt das erste Gehäuse einen Raum, dessen maximales Volumen einem Explosionsschutzwert entspricht. Vorteilhafterweise umschließt das Gehäuse einen Raum, dessen Lufteinschluss-Volumen kleiner als 5 cm3, 3 cm3, oder 2 cm3, insbesondere aber kleiner als 1 cm3 ist.
  • Die Größe des Lufteinschlusses sollte ausreichend klein sein, um die Menge an brennbaren Gasen oder Dämpfen zu begrenzen, die im Falle einer Explosion verfügbar sind. Eine Vorgabe aus einer Norm könnte hier zu beachten sein, z.B. kleiner 1 cm3. Ein kleinerer Lufteinschluss begrenzt das Potenzial für eine Explosion. Das heißt, das erste Gehäuse ist groß genug, die HF-Eigenschaften nicht zu verschlechtern, aber auch klein genug, um die Explosionssicherheit zu gewährleisten.
  • Ein Explosionsschutzwert ist ein Wert, der z.B. als Schwellwert verwendet werden kann, und der im Vorhinein bestimmt worden ist, um eine Explosion zu vermeiden oder zu verhindern, die z.B. durch eine insbesondere spontane Wärmeentwicklung ausgelöst werden würde, oder um eine Explosion gering und/oder lokal begrenzt zu halten. Ferner kann ein Explosionsschutzwert ein Wert oder ein abgeleiteter Wert einer Norm sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist das Modul erste Mittel zur Beeinflussung des Abstrahlöffnungswinkels der Hochfrequenzwellen auf, und das zweite Gehäuse weist einen Bereich auf, auf den die Hochfrequenzwellen entsprechend dem Abstrahlöffnungswinkel und einem Weg der Hochfrequenzwellen zumindest durch die Vergussmasse auftreffen, der zweite Mittel zur Beeinflussung des Abstrahlöffnungswinkels der Hochfrequenzwellen aufweist.
  • Hierdurch wird ein Strahlfokussierungssystem gebildet, das aus mehreren Komponenten besteht. Unter Abstrahlöffnungswinkel ist der Öffnungswinkel zu verstehen, mit dem die Hochfrequenzwellen letztendlich von der Hochfrequenzchipanordnung abgestrahlt werden. Dieser Winkel kann dadurch beeinflusst werden, dass die Hochfrequenzwellen, bzw. der Strahl der Hochfrequenzwellen aufgeweitet wird, fokussiert wird, oder geleitet wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die ersten Mittel ein am Hochfrequenzchip angebrachter dielektrischer Wellenleiter und/oder eine in das erste Gehäuse integrierte Linse.
  • Der Wellenleiter und die integrierte Linse können entweder jeweils einzeln die alleinigen ersten Mittel darstellen oder sie können miteinander kombiniert werden. Der über dem Hochfrequenzchip angeordneten Gehäusedeckel des ersten Gehäuses kann beispielsweise mit einer Linsenkontur ausgestattet sein, hier als Linse bezeichnet, die dazu geeignet ist, die Hochfrequenzwellen, bzw. die HF-Signale je nach Bedarf zu bündeln oder aufzuweiten. Der Hochfrequenzchip kann dabei direkt mit einer planaren Struktur als Primärstrahler oder mit einem aufgesetzten dielektrischen Wellenleiter die Linse ausleuchten.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die zweiten Mittel eine in das zweite Gehäuse integrierte Linse, ein dielektrischer Wellenleiter und/oder ein Hohlleiter.
  • Auch bei den zweiten Mitteln können der dielektrische Wellenleiter, die integrierte Linse und der Hohlleiter entweder jeweils einzeln die alleinigen zweiten Mittel darstellen oder sie können, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombiniert werden. Vorteilhafterweise treten der dielektrische Wellenleiter und der Hohlleiter in Kombination auf. Der dielektrische Wellenleiter ermöglicht beispielsweise das Einspeisen in einen Hohlleiter, der dann z.B. eine Hornantenne speisen kann oder direkt eine dielektrische Linse ausleuchtet. Die Linse kann auch in das zweite Gehäuse integriert sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform weisen das erste Mittel und das zweite Mittel konkave oder konvexe Linsen auf bzw. sind das erste Mittel und das zweite Mittel konkave oder konvexe Linsen.
  • Hierdurch kann der Strahl der Hochfrequenzwellen je nach Anwendung, Bedarf und Gesamtaufbau der Chipanordnung aufgeweitet und / oder gebündelt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform weisen das erste Mittel und/oder das zweite Mittel halbseitig konvexe Linsen auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform weisen das erste Mittel und das zweite Mittel Linsen auf bzw. sind das erste Mittel und das zweite Mittel, die in ihrer Dimension auf einen von den Hochfrequenzwellen ausgeleuchteten Bereich begrenzt sind.
  • Hierdurch kann ein kleinerer Formfaktor der Linsen und damit der Anordnung erreicht werden.
  • Die konkaven oder konvexen Linsen sind somit nicht notwendigerweise auf die gesamte Oberfläche des Gehäuseteils bzw. der Wand, durch den die Hochfrequenzwellen hindurchtreten ausgedehnt, sondern nur auf den Bereich, auf den die Hochfrequenzwellen treffen, bzw. auf den der Großteil der Wellen treffen. Beispielsweise bündelt die Linse des ersten Gehäuses die Hochfrequenzwellen, so dass deren Auftreffbereich eng begrenzt wird. Die Linse kann dann auf diesen Bereich begrenzt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform weisen das erste Gehäuse und/oder das zweite Gehäuse eine flache Wand auf, die die Hochfrequenzwellen passieren.
  • Die Form der Gehäuse ist prinzipiell beliebig. Durch die flache Wand lassen sich jedoch die Linsen einfach integrieren.
  • Gemäß einer Ausführungsform beträgt eine Wandstärke einer Wand des Gehäusedeckels, den die Hochfrequenzwellen passieren, mindestens 1 mm, und die Summe aus dieser Wandstärke und einer Dicke der Vergussmasse 104, die die Hochfrequenzwellen passieren, mindestens 3 mm.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist eine Wandstärke des Gehäusedeckels in einem Bereich, an dem die Hochfrequenzwellen den Gehäusedeckel passieren, ein Vielfaches von I/4, wobei I eine die Wellenlänge der Hochfrequenzwellen ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform besteht die Linse aus dem Gehäusedeckel, dem zweiten Gehäuse und der Vergussmasse.
  • Die Vergussmasse ist somit selbst Teil einer Linse, z.B. einer Gradienten- oder Multilayerlinse. In diesem Fall können die beiden Gehäuse zusätzlich eine Linse enthalten, oder stattdessen lediglich Fenster darstellen, die die Hochfrequenzwellen durchlassen und die die Grenze zu der Linse aus der Vergussmasse bilden. Vorteilhaft ist ein Verguss mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante und niedrigen Verlusten wie z.B. Epic Resins S7391-03. Aber auch andere Vergussarten wie z.B. Sylgard 517 sind bei entsprechender Abstimmung möglich. Die Vergussmasse kann auch verschiedene Schichten mit unterschiedlicher Permittivität aufweisen. Die Vergussmasse kann somit Teil des Strahlfokussierungssystems sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform nimmt der Abstand zwischen der im ersten Gehäuse integrierten Linse und der Linse des zweiten Gehäuses einen definierten Wert ein, der von den dielektrischen Eigenschaften des Vergusses abhängt.
  • Das heißt, die Länge des Pfades der Hochfrequenzwellen durch die Vergussmasse, die dem genannten Abstand entspricht, hängt von den Linseneffekten aller beteiligter Linsen ab.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein industrieller Sensor bereitgestellt, der eine hierin beschriebene Hochfrequenzchipanordnung aufweist, sowie eine Elektronik, die mit dem Hochfrequenzchip verbunden ist, und ein drittes Gehäuse, in welchem die Hochfrequenzchipanordnung montiert ist.
  • Der industrielle Sensor ist zum Beispiel ein Füllstandsensor, ein Grenzwertsensor, ein Radarsensor in Robotik-Anwendungen.
    Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer hierin beschriebenen Hochfrequenzchipanordnung bereitgestellt. Das Verfahren weist folgende Schritte auf. In einem ersten Schritt werden ein Hochfrequenzchip, ein Gehäusedeckel, ein zweites Gehäuse, ein Trägersubstrat, eine Leiterplatte und eine Vergussmasse bereitgestellt. In einem zweiten Schritt wird der Hochfrequenzchip auf dem Trägersubstrat montiert. Dies kann beispielsweise durch Aufkleben oder Löten erfolgen. In einem dritten Schritt wird das erste Gehäuse auf dem Trägersubstrat montiert. In einem vierten Schritt wird das Modul auf eine Leiterplatte aufgelötet. In einem fünften Schritt wird das Modul mit der Leiterplatte in ein zweites Gehäuse eingebaut. In einem sechsten Schritt wird das zweite Gehäuse vergossen, so dass sich zwischen dem ersten Gehäuse und dem zweiten Gehäuse Vergussmasse befindet und das erste Gehäuse von der Vergussmasse umschlossen ist.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
    • Fig. 1 zeigt ein Diagramm einer ersten, allgemeinen Ausführungsform einer Hochfrequenzchipanordnung.
    • Fig. 2 zeigt ein Diagramm einer zweiten Ausführungsform einer Hochfrequenzchipanordnung.
    • Fig. 3 zeigt ein Diagramm einer dritten Ausführungsform einer Hochfrequenzchipanordnung.
    • Fig. 4 zeigt ein Diagramm einer vierten Ausführungsform einer Hochfrequenzchipanordnung.
    • Fig. 5 zeigt ein Diagramm einer fünften Ausführungsform einer Hochfrequenzchipanordnung.
    • Fig. 6 zeigt Ablaufdiagramm eines Verfahrens.
    • Fig. 7 zeigt ein Diagramm eines industriellen Sensors.
    DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
    • Beispiele
  • Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Hochfrequenzchipanordnung 100. Die Hochfrequenzchipanordnung 100 weist einen Hochfrequenzchip 112 auf, der eingerichtet ist, Hochfrequenzwellen abzustrahlen und zu empfangen, und ein hohlraumaufweisendes, z.B. luftgefülltes, gasgefülltes oder Vakuum enthaltendes erstes Gehäuse 114, 115, bestehend aus einem Gehäusedeckel 115 und einem Trägersubstrat 114. Das Gehäuse 114, 115 umschließt somit den Hochfrequenzchip 112, wenn der Gehäusedeckel 115 auf dem Trägersubstrat 114 befestigt ist und einen gasgefüllten Innenraum 106. Der Gehäusedeckel 115 kann beispielsweise zylindrisch mit einem "Boden" bzw. topfförmig ausgestaltet sein. Er kann aber auch jede andere Form annehmen, wie z.B. halbkugelförmig oder mit einer unterschiedlichen Zahl an Kanten. Der Hochfrequenzchip 112 ist auf einer Oberseite des Trägersubstrats 114, die in das Innere des Gehäuses 114, 115 zeigt, so angeordnet, dass er die Hochfrequenzwellen von dem Trägersubstrat 114 weg abstrahlt, das heißt auf die gegenüberliegende Innenseite des Gehäuses 114, 115. In Fig. 1 ist dies der Boden des zylindrischen Gehäusedeckels 115. Das Trägersubstrat 114, der Hochfrequenzchip 112 und der Gehäusedeckel 115 des ersten Gehäuses 114, 115 bilden hierbei ein Modul 110. Die Hochfrequenzchipanordnung 100 weist ferner ein zweites Gehäuse 120 auf. Das zweite Gehäuse 120 kann vorzugsweise ebenfalls zylindrisch sein oder aber auch eine beliebige andere geometrische Form annehmen. Da es vorzugsweise auch eine Leiterplatte 102 mit weiteren elektronischen Bauteilen, also die Elektronik, einschließt, auf der das Modul 110 befestigt ist, wird das zylindrische zweite Gehäuse in dieser Offenbarung auch "Elektronikbecher" genannt. Das zweite Gehäuse 120 umgibt zumindest das Modul 110, wobei ein Zwischenraum 121 zwischen dem Modul 110 und dem zweiten Gehäuse 120 mit einer Vergussmasse 104 gefüllt ist, sodass das Modul 110 vollständig von der Vergussmasse 104 umgeben ist. Die Hochfrequenzwellen passieren somit das erste Gehäuse 114, 115, die Vergussmasse 104, und das zweite Gehäuse 120. Genauer gesagt nehmen die Hochfrequenzwellen den Weg von dem Hochfrequenzchip durch den gasgefüllten Gehäuse-Innenraum 106, den Boden des zylindrischen Gehäusedeckels 115 und den Boden des zylindrischen zweiten Gehäuses 120 nach außen. Der Gehäusedeckel 115 ist in dem Beispiel der Fig. 1 flach. Mit "flachem Gehäusedeckel 115" ist hierbei diejenige Wand des Gehäusedeckels 115 gemeint, die die Hochfrequenzwellen passieren. Dasselbe gilt für den Elektronikbecher 120. Die Wandstärke dieser Wände im Bereich der HF-Ausbreitung ist bevorzugt ein Vielfaches von I/4.
  • Der Gehäusedeckel 115 besteht ganz oder teilweise aus einem HF-durchlässigen Material, z.B. aus Kunststoff oder Keramik. Er ist auf dem Trägersubstrat 112 aufgelötet oder aufgeklebt, sodass das daraus entstehende erste Gehäuse 114, 115 den Innenraum 106 dicht verschließt.
  • Um einen Explosionsschutz zu gewährleisten wird eine Wandstärke des Gehäusedeckels 115 von mindestens 1 mm bemessen, und die Summe aus Wandstärke des Gehäusedeckels 115 und der minimalen Vergussdicke zwischen dem ersten 114, 115 mindestens 3 mm. Die Wandstärke des Elektronikbechers 120 muss hierbei für den Explosionsschutz nicht berücksichtigt werden und kann daher für eine optimale HF-Ausbreitung ausgelegt werden.
  • In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist ein dielektrischer Wellenleiter 116 direkt auf dem Hochfrequenzchip 112 angebracht. Der Boden des Gehäusedeckels 115 weist eine erste Linse 118 auf, und der Boden des Elektronikbechers 120 bzw. des zweiten Gehäuses 120 weist eine zweite Linse 122 auf. Die Linsen 118, 122 können konkav, konvex, oder wie in Fig. 2 gezeigt, konkavkonvex ausgestaltet sein.
  • Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der ein Primärstrahler 117 direkt auf dem Chip 112 montiert ist oder auf dem Trägersubstrat 114, auf dem der Hochfrequenzchip 112 angebracht ist. In dem in Fig. 3 gezeigten Fall sind die Linsen 118, 122 konvex ausgebildet.
  • Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Gehäusedeckel 115, der über dem Hochfrequenzchip 112 eine konvexe Linse aufweist, und im Elektronikbecher 120 eine halbseitig konvexe Linse.
  • Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem am Elektronikbecher 102 angeordneten dielektrischen Wellenleiter 124. Dieser kann einteilig mit dem Elektronikbecher 102 hergestellt werden oder aber nachträglich aus einem Material wie z.B. Polypropylen (PP), Hart-Polyethylen (englisch: High Density Polyethylen; HDPE), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyetheretherketon (PEEK), etc. eingesetzt werden. Der dielektrische Wellenleiter 124 ermöglicht wiederum das Einspeisen in einen Hohlleiter 126, der dann z.B. eine Hornantenne speisen kann oder direkt eine dielektrische Linse ausleuchtet.
  • Die in den Figuren 1 bis 5 gezeigten Formen des Gehäusedeckels 115 und des Elektronikbechers 120 können beliebig miteinander kombiniert werden.
  • Fig. 6 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer hierin beschriebenen Hochfrequenzchipanordnung 100. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
  • In einem ersten Schritt 602 wird ein Hochfrequenzchip 112 bereitgestellt, sowie ein Gehäusedeckel 115, ein zweites Gehäuse 120, ein Trägersubstrat 114, eine Leiterplatte 102 und eine Vergussmasse (104);
  • In einem zweiten Schritt 604 wird der Hochfrequenzchip 112 auf dem Trägersubstrat 114 montiert. Dies kann beispielsweise durch Aufkleben oder Löten erfolgen. In einem dritten Schritt 606 wird der erste Gehäusedeckel 115 auf dem Trägersubstrat 114 montiert, um ein erstes Gehäuse 114, 115 und ein Modul 110 zu erhalten. Das Trägersubstrat 114 bildet die Basis für das Gehäuse 114, 115, das auch als "Package" bezeichnet werden kann. Der Gehäusedeckel 115 besteht zum Beispiel aus einem HF-durchlässigen Material, z.B. Kunststoff oder Keramik. Somit entsteht mit dem HF-Chip ein dicht verschlossenes Modul 110. Um die Anforderungen an den Explosionsschutz zu erfüllen, muss das eingeschlossene Volumen (Lufteinschluss) kleiner als 1 cm3 sein. Der Gehäusedeckel 115 ist über dem HF-Chip 112 beispielsweise mit einer Linsenkontur, hierein als erste Linse 118 bezeichnet, ausgestattet, die dazu geeignet ist, die HF-Wellen je nach Bedarf zu bündeln oder aufzuweiten. Der HF-Chip 112 kann dabei direkt mit einer planaren Struktur als Primärstrahler oder mit einem aufgesetzten dielektrischen Wellenleiter 116 die erste Linse 118 ausleuchten. In einem vierten Schritt 608 wird das Modul 110 auf eine Leiterplatte 102 aufgelötet. In einem fünften Schritt 610 wird das Modul mit der Leiterplatte 102 in ein zweites Gehäuse 120 eingebaut. In einem sechsten Schritt 612 wird das zweite Gehäuse 120 vergossen, das heißt die Vergussmasse 104 eingefüllt, so dass sich zwischen dem ersten Gehäuse 114, 115 und dem zweiten Gehäuse 120 Vergussmasse 104 befindet und das erste Gehäuse 114, 115 von der Vergussmasse 104 umschlossen ist. Der Abstand zwischen der im Gehäusedeckel 115 integrierten Linse 118 und der im Elektronikbecher 120 eingearbeiteten Linse 122 nimmt einen definierten Wert ein, der von den dielektrischen Eigenschaften der Vergussmasse 104 abhängt. Vorteilhaft ist ein Verguss mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante und niedrigen Verlusten wie z.B. Epic Resins S7391-03. Aber auch andere Vergussarten wie z.B. Sylgard 517 sind bei entsprechender Abstimmung möglich. Die so gebildete Multilayer- bzw. Gradientenlinse kann dazu genutzt werden, um in einem Mehrlinsensystem eine weitere Linse auszuleuchten und die HF-Energie in Richtung Füllgut zu lenken. Um weiteren Anforderungen des Explosionsschutzes gerecht zu werden, muss die Wandstärke des Gehäusedeckels 115 mind. 1 mm und die Summe aus Wandstärke des Gehäusedeckels 115 und der Vergussdicke mindestens 3 mm betragen.
  • Fig. 7 zeigt einen industriellen Sensor mit der Hochfrequenzchipanordnung 100 und einem Gehäuse 702 des Sensors 700, das hierein als drittes Gehäuse 702 bezeichnet wird. In dem Beispiel der Fig. 7 ist die Ausführungsform nach Fig. 5 verwendet worden. Es kann stattdessen aber auch jede weitere hierin beschriebene Ausführungsform verwendet werden. Ein industrieller Sensor ist z.B. ein Füllstandsensor, ein Grenzstandsensor, ein Drucksensor, ein Sensor, der während eines Prozesses eine Dichte oder eine Zusammensetzung bzw. Mischung eines Stoffes misst. Ein solcher Sensor kann insbesondere in der Prozessautomatisierung eingesetzt werden. Ein solcher industrieller Sensor kann aber auch z.B. ein Radarsensor sein, der in der Robotik eingesetzt wird.
  • Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann bei der Durchführung der beanspruchten Erfindung durch das Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort "umfassend" andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel "ein" oder "eine" schließt eine Vielzahl nicht aus. Ein einzelner Prozessor oder eine andere Einheit kann die Funktionen mehrerer Gegenstände oder Schritte erfüllen, die in den Ansprüchen aufgeführt sind. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen angegeben sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann. Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Ansprüche begrenzen
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Hochfrequenzchipanordnung
    102
    Leiterplatte, Platine
    104
    Vergussmasse
    106
    Hohlraum mit Luft- oder Gaseinschluss oder Vakuum
    110
    Modul
    112
    Hochfrequenzchip
    114
    Trägersubstrat, Basis des ersten Gehäuses
    115
    Gehäusedeckel des ersten Gehäuses
    116
    dielektrischer Wellenleiter
    117
    Primärstrahler
    118
    erste Linse
    120
    zweites Gehäuse, Elektronikbecher
    121
    Zwischenraum zwischen dem Modul und dem zweiten Gehäuse
    122
    zweite Linse
    124
    dielektrischer Wellenleiter am Elektronikbecher
    126
    Hohlleiter
    700
    industrieller Sensor
    702
    drittes Gehäuse; Gehäuse des industriellen Sensors
    704
    Hornantenne

Claims (15)

  1. Hochfrequenzchipanordnung (100), aufweisend
    - einen Hochfrequenzchip (112), der eingerichtet ist, Hochfrequenzwellen abzustrahlen und zu empfangen,
    - ein hohlraumaufweisendes erstes Gehäuse (114, 115), bestehend aus einem Gehäusedeckel (115) und einem Trägersubstrat (114), wobei das erste Gehäuse (114, 115) den Hochfrequenzchip (112) umgibt, wenn der Gehäusedeckel (115) auf dem Trägersubstrat (114) befestigt ist;
    - wobei der Hochfrequenzchip (112) auf einer Oberseite des Trägersubstrats so angeordnet ist, dass er die Hochfrequenzwellen von dem Trägersubstrat (114) weg abstrahlt;
    - wobei das Trägersubstrat (114), der Hochfrequenzchip (112) und das erste Gehäuse (114, 115) ein Modul (110) bilden;
    - ein zweites Gehäuse (120), das zumindest das Modul (110) umgibt, wobei ein Zwischenraum (121) zwischen dem Modul (110) und dem zweiten Gehäuse mit einer Vergussmasse (104) gefüllt ist, sodass das Modul (110) vollständig von der Vergussmasse (104) umgeben ist und die Hochfrequenzwellen das erste Gehäuse (114, 115), die Vergussmasse (104), und das zweite Gehäuse (120) passieren.
  2. Hochfrequenzchipanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das erste Gehäuse (114, 115) einen Raum umschließt, dessen maximales Volumen einem Explosionsschutzwert entspricht.
  3. Hochfrequenzchipanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Modul (110) erste Mittel zur Beeinflussung des Abstrahlöffnungswinkels der Hochfrequenzwellen aufweist und das zweite Gehäuse (120) einen Bereich aufweist, auf den die Hochfrequenzwellen entsprechend dem Abstrahlöffnungswinkel und einem Weg der Hochfrequenzwellen zumindest durch die Vergussmasse (104) auftreffen, der zweite Mittel zur Beeinflussung des Abstrahlöffnungswinkels der Hochfrequenzwellen aufweist.
  4. Hochfrequenzchipanordnung (100) nach Anspruch 3, wobei die ersten Mittel eine in das erste Gehäuse (114, 115) integrierte erste Linse (118) und/oder ein am Hochfrequenzchip (112) angebrachter dielektrischer Wellenleiter (116) ist.
  5. Hochfrequenzchipanordnung (100) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die zweiten Mittel eine in das zweite Gehäuse (120) integrierte Linse (122), ein dielektrischer Wellenleiter (124) und/oder ein Hohlleiter (126) sind.
  6. Hochfrequenzchipanordnung (100) nach Anspruch 3, wobei das erste Mittel und/oder das zweite Mittel konkave oder konvexe Linsen (118, 122) aufweisen.
  7. Hochfrequenzchipanordnung (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das erste Mittel und/oder das zweite Mittel halbseitig konvexe Linsen (118, 122) aufweisen.
  8. Hochfrequenzchipanordnung (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das erste Mittel und das zweite Mittel Linsen (118, 122) aufweisen, die in ihrer Dimension auf einen von den Hochfrequenzwellen ausgeleuchteten Bereich begrenzt sind.
  9. Hochfrequenzchipanordnung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Gehäuse (114, 115) und/oder das zweite Gehäuse (120) eine flache Wand aufweist, die die Hochfrequenzwellen passieren.
  10. Hochfrequenzchipanordnung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Wandstärke einer Wand des Gehäusedeckels (115), den die Hochfrequenzwellen passieren, mindestens 1 mm, und die Summe aus dieser Wandstärke und einer Dicke der Vergussmasse (104), die die Hochfrequenzwellen passieren, mindestens 3 mm beträgt.
  11. Hochfrequenzchipanordnung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Wandstärke des Gehäusedeckels (115) in einem Bereich, an dem die Hochfrequenzwellen des Gehäusedeckel (115) passieren, ein Vielfaches von I/4 ist, wobei I die Wellenlänge der Hochfrequenzwelle ist.
  12. Hochfrequenzchipanordnung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Linse aus dem Gehäusedeckel, dem zweiten Gehäuse und der Vergussmasse besteht.
  13. Hochfrequenzchipanordnung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, wobei der Abstand zwischen der im Gehäusedeckel (115) integrierten Linse (118) und der Linse (122) des zweiten Gehäuses (120) einen definierten Wert einnimmt, der von den dielektrischen Eigenschaften der Vergussmasse (104) abhängt.
  14. Industrieller Sensor (700), aufweisend eine Hochfrequenzchipanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und ferner aufweisend eine Elektronik, die mit dem Hochfrequenzchip (112) verbunden ist, sowie ein drittes Gehäuse (702), in welchem die Hochfrequenzchipanordnung (100) montiert ist.
  15. Verfahren zur Herstellung einer Hochfrequenzchipanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, aufweisend die Schritte:
    Bereitstellen (602) eines Hochfrequenzchips (112), eines Gehäusedeckels (115), eines zweiten Gehäuses (120), eines Trägersubstrats (114), einer Leiterplatte (102) und einer Vergussmasse (104);
    Montieren (604) des Hochfrequenzchips (112) auf dem Trägersubstrat;
    Montieren (606) des ersten Gehäusedeckels (115) auf dem Trägersubstrat (114) um ein erstes Gehäuse (114, 115) und ein Modul (110) zu erhalten;
    Auflöten (608) des Moduls (110) auf der Leiterplatte (102);
    Einbau (610) des Moduls (110) mit der Leiterplatte (102) in das zweite Gehäuse (120);
    Vergießen (612) des zweiten Gehäuses (120), so dass sich zwischen dem ersten Gehäuse (114, 115) und dem zweiten Gehäuse (120) die Vergussmasse (104) befindet und das erste Gehäuse (114, 115) von der Vergussmasse (104) umschlossen ist.
EP25169675.3A 2024-04-30 2025-04-10 Hochfrequenzchipanordnung, sensor und verfahren zur herstellung Pending EP4645590A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5916401A (ja) * 1982-07-19 1984-01-27 Fujitsu Ltd アンテナ構造
EP0346125B1 (de) * 1988-06-08 1995-08-30 Nec Corporation Integrierte Mikrowellenvorrichtung für einen Rundfunksatellitenempfänger
US20040160357A1 (en) * 2002-04-26 2004-08-19 Hitachi, Ltd. Radar sensor
DE102016114482A1 (de) * 2016-08-04 2018-02-08 Silicon Radar GmbH Sensor mit Antenne und Gehäuse
EP3971611A1 (de) * 2020-09-17 2022-03-23 VEGA Grieshaber KG Radarmessgerät
US20230291115A1 (en) * 2022-02-10 2023-09-14 Robert Bosch Gmbh Antenna device, radar sensor device and method for producing an antenna device
DE102024112205A1 (de) 2024-04-30 2025-10-30 Vega Grieshaber Kg Hochfrequenzchipanordnung, Sensor und Verfahren zur Herstellung

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19904303A1 (de) * 1999-01-28 2000-08-24 Bosch Gmbh Robert Gehäuse für ein elektronisches Gerät in der Mikrowellentechnik
JP3858801B2 (ja) * 2002-10-10 2006-12-20 株式会社日立製作所 車載ミリ波レーダ装置，ミリ波レーダモジュールおよびその製造方法
US7932529B2 (en) * 2008-08-28 2011-04-26 Visera Technologies Company Limited Light-emitting diode device and method for fabricating the same
US11823970B2 (en) * 2021-05-05 2023-11-21 Infineon Technologies Ag Radar package with optical lens for radar waves

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5916401A (ja) * 1982-07-19 1984-01-27 Fujitsu Ltd アンテナ構造
EP0346125B1 (de) * 1988-06-08 1995-08-30 Nec Corporation Integrierte Mikrowellenvorrichtung für einen Rundfunksatellitenempfänger
US20040160357A1 (en) * 2002-04-26 2004-08-19 Hitachi, Ltd. Radar sensor
DE102016114482A1 (de) * 2016-08-04 2018-02-08 Silicon Radar GmbH Sensor mit Antenne und Gehäuse
EP3971611A1 (de) * 2020-09-17 2022-03-23 VEGA Grieshaber KG Radarmessgerät
US20230291115A1 (en) * 2022-02-10 2023-09-14 Robert Bosch Gmbh Antenna device, radar sensor device and method for producing an antenna device
DE102024112205A1 (de) 2024-04-30 2025-10-30 Vega Grieshaber Kg Hochfrequenzchipanordnung, Sensor und Verfahren zur Herstellung

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