WO2007016909A1 - Elektrisches bauelement - Google Patents

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WO2007016909A1
WO2007016909A1 PCT/DE2006/001368 DE2006001368W WO2007016909A1 WO 2007016909 A1 WO2007016909 A1 WO 2007016909A1 DE 2006001368 W DE2006001368 W DE 2006001368W WO 2007016909 A1 WO2007016909 A1 WO 2007016909A1
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filter
heat sink
conductor
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PCT/DE2006/001368
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English (en)
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Alexander Chernyakov
Patric Heide
Johann Heyen
Thomas Kerssenbrock V.
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Epcos Ag
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Definitions

  • the z. B. can be used on the front end of radios.
  • An object to be solved is to specify an electrical component which has a small footprint and a high power compatibility.
  • the substrate is preferably a multilayer substrate with at least three metallization levels, wherein a dielectric layer is arranged between each two metallization levels.
  • the dielectric layers may, for.
  • LTCC stands for Low-Temperature Co-fired Ceramics. _ o -
  • an overall circuit which comprises the following integrated functional units in a preferred variant: at least one antenna switch, crossovers, amplifier elements, filters, transformers for balancing the signal paths (Baluns), possibly also directional coupler and RF power detector.
  • the amplifier elements include transmit amplifiers and receive amplifiers.
  • the overall circuit of the device comprises the circuit integrated in the substrate, which has functional blocks formed in the substrate.
  • the function blocks include z. B. a crossover block, an amplifier block, a filter block, possibly a Götragerblock.
  • the function blocks explained below are electrically connected to one another via connecting lines.
  • the integrated circuit in the substrate comprises signal paths and the circuit elements arranged therein such.
  • LC filters including crossovers, directional couplers, baluns and matching networks and / or impedance converter for adjusting the impedance of signal paths.
  • the impedance converters are preferably integrated in the filters or baluns.
  • LC filter z In the integrated circuit in the circuit can be used as LC filter z.
  • the following components can be implemented: at least one low-pass filter, at least one high-pass filter and at least one band-pass filter.
  • the LC filters may include a high pass, a low pass, a band pass, and / or a balun, which may be components of a diplexer - a diplexer or a duplexer.
  • a diplexer is usually a combination of a low-pass and a high-pass comprehensive crossover, the separation of Signals of different frequency bands is suitable.
  • a duplexer is a crossover suitable for separating transmission and reception signals of a frequency band.
  • the filters can be balanced, i. H. have a single-ended and a balanced goal.
  • the circuit further comprises electrical connections arranged in metallization planes of the substrate and vertical electrical connections, in particular connecting lines between the terminals arranged on the underside of the substrate and contact surfaces arranged on the upper side of the substrate for contacting the chip mounted on the upper side of the substrate.
  • the circuit also includes the connection lines between separate functional blocks integrated in the substrate and explained below.
  • the circuit also includes the interconnections between the chips and the functional blocks.
  • the indicated device comprises chips mounted on the substrate and electrically connected to the integrated circuit in the substrate.
  • the chips can on the substrate by means of a z. B. electrically conductive adhesive layer are attached.
  • the chips can z. B. be connected by means of bonding wires or bumps conductively arranged on the top of the substrate contact surfaces.
  • the adhesive layer may also be electrically insulating.
  • the chips comprise at least one chip, in particular a semiconductor chip, which is to be cooled during operation of the component by means of the heat sink.
  • At least one of the following components may be implemented on the substrate: a switch or antenna switch, an RF power detector, transmit and receive amplifiers Bandpass filter, a duplexer, a balun.
  • the power detector for monitoring the power level of the transmission signal may, for. B. comprise at least one PIN diode.
  • the switch or switches may comprise field effect transistors in a variant.
  • the antenna switch can z. B. be a GaAs switch.
  • the arranged on the substrate bandpasses and / or duplexers are z. B. working with acoustic waves chips.
  • the components disposed on the substrate may be bare dies or packaged chips. These chips can be surface mountable. But they can also be mounted in flip-chip or bonding wire technique on the substrate or electrically connected thereto. These components can, for. B. be encapsulated by means of a hardened potting compound. But they can also be arranged individually or together under a lid which closes with the substrate top.
  • all passive elements such as bandpasses, lowpasses, highpasses, matching networks, duplexers and possibly duplexers are implemented or integrated in the substrate in the form of LC elements.
  • the heat sink is above thermally to the chip to be cooled, z. B. semiconductor chip and bottom of a heat reservoir such. B. coupled a good heat conducting body with a large surface area.
  • the heat sink is preferably used to dissipate the heat generated in the semiconductor chip, wherein in the semiconductor chip preferably an amplifier element, in particular at least one arranged in the transmission path power amplifier PA is realized.
  • the heat sink is preferably arranged directly under this chip.
  • the electrical circuit comprises, in particular, LC filters arranged in the signal paths.
  • capacitive circuit elements which are simply referred to below as capacitances, are preferably formed as superposed conductive surfaces.
  • the mainly inductively acting circuit elements which are simply called inductors in the following, are preferably designed as narrow, elongated or folded conductor track sections or as through-connections arranged in the substrate.
  • the heat sink comprises at least one column of vertical electrical connections arranged one above the other, which are each arranged in a dielectric layer of the substrate and conductively connect two successive metallization levels.
  • a plurality of such columns are provided in a heat sink, which are arranged side by side. These columns are also called vias.
  • the heat sink has a low thermal resistance.
  • the vias of a heat sink have a high heat dissipation, z. B. at least 250 W / mK, preferably at least 300 W / mK on.
  • the plated-through holes of a heat sink preferably each have a larger cross-sectional size than any other vias arranged in the substrate than vertical conductive connections, but vias not provided as a heat sink.
  • the heat sink can be connected to a ground connection arranged on the substrate bottom and thus as a ground connection of the amplifier element and / or the further chips arranged on the substrate or in the subsystem. strat integrated components (the LC filter) serve.
  • the heat sink which contains several ground connections connected to ground, is suitable for the electromagnetic shielding of a (signal-carrying) signal conductor.
  • the signal conductor can, for. B. be an RF connection, a control line or a supply line of the semiconductor chip.
  • the signal conductor to be shielded is arranged at least partially in the region of the heat sink, preferably between the through-contacts of the heat sink.
  • the signal conductor to be shielded may comprise a conductor track section formed in a metallization plane and / or a vertical electrical connection, i. H. a via, include.
  • the signal conductor may be provided as a (further) heat sink of the chip. This heat sink is connected to a signal-carrying connection arranged on the substrate underside.
  • the heat sink may be connected to a conductive surface buried in the substrate, preferably a ground surface, which then serves as a heat spreader, ie for distributing the heat in the substrate volume and on the other hand in the circuit of the component, for example as a local ground.
  • This conductive surface may serve, for example, for forming a capacitance, in particular a multilayer capacitance, and / or for shielding a signal conductor from above or below, respectively,
  • a via of the heat sink may conductively connect ground planes arranged in different planes.
  • two connected to the vias of the heat sink ground surfaces are provided, between which extends the horizontally extending portion of the signal conductor.
  • the preferably at a small distance from each other arranged through holes of the heat sink ensure shielding on both sides of the signal conductor.
  • the vias of the heat sink can be arranged at the same distance from the signal conductor.
  • a distance between two vias of a heat sink is the minimum distance between the center axes of these vias to understand. This distance is preferably not greater than three times the cross-sectional size of a fürkontak- tion of the heat sink.
  • an electrical line in particular a stripline or a microstrip line may be formed, which comprises the signal conductor and at least one ground conductor, which is preferably the conductive surface connected to the heat sink.
  • the electrical line in particular its vertically extending sections may also include the vias of the heat sink. The vertical portions of the electric wire are explained below.
  • the ground conductors, the vias of the heat sink and / or the signal conductors can each be integrated in the aforementioned LC filter or be part of a matching network.
  • the line may include stubs and / or branches.
  • a conductor track portion may be connected, which is provided for forming an inductance.
  • the heat sink preferably acts as an inductive element.
  • a heat sink which has a plurality of through-holes arranged around a vertically extending signal conductor is advantageous. includes.
  • the signal conductor running vertically, ie parallel to the through-contacts of the heat sink, is a signal-carrying through-connection. This arrangement can be compared with a coaxial line with a signal conductor shielded by a tubular ground conductor. It is possible, for example, a hexagonal arrangement of the plated-through holes around the signal conductor.
  • the vertically extending signal conductor is shielded in a lateral plane substantially on all sides.
  • the different vias of the heat sink take over electrical functions by z. 1) serve as a local ground of an LC filter and contribute inductive or capacitive effects, 2) are ground conductors of an RF line, and / or 3) serve as a shield between adjacent signal conductors.
  • a first column may function as an inductor in an LC filter
  • at least one second column may be used to pass an RF signal
  • a third column may be used to supply a supply voltage
  • a plurality of fourth columns may be used to electrically shield a signal conductor disposed between the fourth columns ,
  • the plated-through holes of a heat sink in a variant form at least one row, wherein the distance between two successive through-holes in the row is substantially the same.
  • the conductive surface and the signal conductor may be disposed in the same metallization plane and opposite each other stand.
  • two conductive surfaces arranged in a metallization plane can be provided, between which the signal conductor is arranged. This is a stripline known as coplanar line.
  • the conductive surface and the signal conductor can also be arranged one above the other in different metallization levels.
  • two superposed conductive surfaces may be provided, between which the signal conductor is arranged. This is a microstrip line known as a triplate line.
  • the signal conductor may have both a horizontally and a vertically extending portion.
  • a recess for the passage of the vertically extending portion of the signal conductor is provided.
  • the elements of a function block are arranged in a preferred variant compact and spatially delimitable from the elements of other functional blocks. But it is also possible that at least two functional blocks are arranged in a common volume, with their elements in this volume distributed, but can be distinguished from the elements of other functional blocks.
  • the crossover block comprises z. These include, for example, diplexers, duplexers, directional couplers and connection cables leading to the antenna switch, including RF signal lines, DC supply lines and control lines that supply control signals to the switch.
  • the diplexers and the duplexers can each consist of the LC filters. In an advantageous variant of this block is arranged below an antenna switch and / or an RF detector.
  • the filter block comprises arranged in the receiving and transmitting paths of the component, integrated in the substrate LC filter.
  • the filter block may comprise the crossover block in a variant.
  • the amplifier elements comprise the power amplifiers PA arranged in the transmission path and the low-noise amplifiers LNA arranged in the reception paths.
  • the amplifier block is arranged below the amplifier elements and comprises the electrical RF signal lines leading to them, DC lines for powering the amplifier elements and the control lines provided for driving the amplifiers, in particular vertical electrical connections.
  • the amplifier block comprises in a variant also the already explained heat sink. This heat sink may be in the filter block z. B. be integrated to form capacitive or inductive acting circuit elements.
  • the electrical interaction of the amplifier block and the LC filter block makes it possible to keep the total volume of the substrate particularly low.
  • the Studentstragerblock includes baluns and z. B. be realized with balanced filters in the filter block.
  • the baluns can also be formed in a separate functional block.
  • an LC filter block comprising the crossovers and the LC filters can be provided.
  • the LC filter block may further include baluns and / or directional couplers.
  • the LC filters may include balanced filters, eliminating the need for a separate transformer block with baluns.
  • Each functional block is preferably assigned a separate substrate region, wherein the mutually facing boundary regions of the adjacent functional blocks can interact electromagnetically with one another.
  • the volume of the substrate is divided such that 1) the amplifier block, 2) the LC filter block with the crossovers, the directional coupler and the LC filters and 3) the transformer block occupy approximately one third of the substrate volume.
  • a multiband electrical component which comprises a substrate and amplifier elements arranged thereon.
  • the substrate comprises an amplifier block and an LC filter block comprising an LC filter.
  • the volume of the LC filter block is at most twice as large as the amplifier block.
  • LC filter block Due to the relatively small volume of the LC filter block, it is possible to provide a particularly compact highly integrated component. At least two of the LC filters may be associated with a crossover. The remaining LC filters can be arranged in the signal paths which are each assigned to a frequency band of the component.
  • the volume of the LC filter block is at most 2/3 of the total volume of the substrate.
  • the volume of the LC filter block is at most as large as that of the amplifier block or amounts to a maximum of half the total volume of the substrate. This is z. B. at a relatively high dielectric constant ⁇ r _> 15 possible.
  • an electrical component comprising in parallel planes superimposed, outer conductive surfaces, between which a central conductive surface and a second conductor track is arranged. Between the middle conductive surface and one of the outer conductive surfaces, a first conductor is arranged. The distance between the second interconnect to each one of the outer conductive surfaces is greater than the distance between the first interconnect and the opposite conductive surfaces.
  • the outer conductive surfaces are preferably conductively connected to the central conductive surface and z. B. connected to ground.
  • the first conductor preferably forms a conductive surface forming a first capacitance with the first outer conductive surface and a second capacitance with the middle conductive surface. It may be another first trace be provided, which forms a third capacitor with the second outer conductive surface and a fourth capacitor with the middle conductive surface.
  • the two first interconnects, the middle conductive surface and the outer conductive surfaces are arranged in parallel planes one above the other.
  • the two first interconnects are conductively connected to each other by means of a via.
  • the first interconnects form a first electrode of a multilayer capacitance.
  • the outer conductive surfaces and the middle conductive surface then form a second electrode of this multilayer capacitance.
  • the second conductor track is preferably formed by a mainly inductively acting conductor track section which has an elongate and / or a folded section.
  • the second trace is disposed between the outer conductive surfaces and shielded by them downwardly and upwardly. It forms with the respective outer conductive surface, a parasitic capacitance, which is particularly low, characterized in that the distance between these superposed conductive structures is selected to be comparatively large. If the second conductor track and the middle conductive surface are formed in one plane, this distance is approximately twice as large as between the opposing conductive surfaces which are provided for forming the multilayer capacitance and associated with different electrodes of this capacitance.
  • the z. B. are arranged in a metallization. But they can also be arranged in different planes and each have different distances to the outer conductive surfaces. It is always essential that the inductive acting conductor tracks as components of the circuit in the vertical direction have a greater distance from the ground surfaces than the conductive surfaces, which are provided to form multilayer capacitances with these ground planes.
  • the components of the circuit just described-the multilayer capacitance and the inductance-can in particular realize components of an LC filter.
  • the heat sink can also be integrated in this LC filter. For example, it is possible to conductively connect the middle and the outer conductive surfaces by means of a through-connection associated with the heat sink.
  • the specified component is preferably provided as a highly integrated front-end module.
  • a multiband / multimode circuit can be realized in the component, preferably at least partially in the substrate.
  • signal paths for a 2.4 GHz band (2.4 ... 2.5 GHz) and a 5 GHz band (4.95 ... 5.8 GHz) can be realized.
  • the front-end module can be provided as a WLAN module, in a variant a dual-band / triple-mode module. Such a module transmits, amplifies and transforms transmit and receive signals and blocks interfering signals between the WLAN transceiver IC and antennas.
  • the signal path can be a transmission path or a reception path.
  • the transmission path is preferably a low-pass filter or a band-pass filter and a power amplifier (Power Amplifier) arranged.
  • a band-pass filter and a low-noise amplifier (low noise amplifier) is preferably arranged. Switching between these signal paths and the antenna connections takes place by means of the switch and the crossovers.
  • the component can be realized as a compact SMD component.
  • SMD stands for Surface Mounted Device.
  • the number and thickness of the dielectric layers as well as the total thickness of the substrate is preferably selected so that efficient heat dissipation through the heat sink is possible.
  • the number of dielectric layers may, for. B. 3 to 15 or more.
  • the thickness of the layers is in a variant between 35 and 150 microns.
  • the dielectric constant of the dielectric layers may be e.g. B. between 5 and 200.
  • the given by the total thickness of the substrate height of the component is preferably ⁇ _ 1.5 mm, in one variant, a maximum of 1 mm.
  • the space savings compared to conventional discrete component front-end solutions can be up to 90%. This is particularly advantageous for use in mobile devices and multimedia hand-held devices.
  • FIG. 1 shows a detail of the cross section of the device with a substrate and disposed therein heat sinks
  • FIG. 2 shows an example of a heat sink which comprises a plurality of through-contacts, wherein a signal conductor extends in the region of the heat sink;
  • Figure 3A shows a heat sink whose vias are arranged around a vertically extending signal conductor and shield it;
  • FIG. 3B shows a coplanar line whose ground conductors are connected to the plated-through holes of the heat sink
  • FIG. 4 shows the region of the heat sink, which is thermally coupled to a chip above
  • FIG. 5 shows the region of the heat sink in which a signal conductor runs
  • FIG. 6 a detail of an LC filter integrated in the substrate of the component with inductively and capacitively acting circuit elements
  • FIG. 7 shows an exemplary realization of an LC filter
  • FIG. 8 shows the equivalent circuit diagram of the highly integrated front-end module according to FIG. 9;
  • FIG. 9 shows a perspective view of the module according to FIG. 8.
  • FIG. 1 shows a cross-section of a component with a plurality of heat sinks which fulfill different electrical functions in the circuit of the component.
  • the component comprises a substrate 1 with. ceramic layers arranged one above the other and metallization planes arranged therebetween, which are conductively connected to one another by means of plated-through holes 103-110 and to the uppermost and lowermost metallization levels of the substrate 1.
  • the substrate 1 comprises a circuit integrated therein and electrically connected to the contact pads and the external terminals, and heat sinks 103-109 disposed therein, which are integrated in this circuit as circuit components.
  • the component further comprises an amplifier element 2 fastened thereto, which is electrically coupled by means of its bonding wires 201, 202 to the plated-through holes 103, 104 and thus to the circuit of the substrate 1.
  • the via 103 or 104 may or may not be a heat sink.
  • a heat sink is formed, which comprises through the substrate from top to bottom performed via contacts 105, 107, 108, 109 comprises. These vias are connected to ground planes 113, 114, 112, 111 and other ground planes in different metallization levels.
  • This heat sink is above by means of a relatively large gene, good heat-conducting layer 21 to the amplifier element 2 and below (see Fig. 4) by means of the well heat-conducting and preferably also formed over a large area layer 113 to a not shown in Figures 1, 4, printed circuit board (motherboard) electrically and thermally coupled.
  • This printed circuit board preferably serves as a carrier for the specified component (eg the LTCC module), an IC (eg WLAN transceiver base band IC), the antennas connectable to the antenna connections ANT1, ANT2 and the connection lines between these components.
  • the printed circuit board can also serve as a heat sink for the chip to be cooled on the upper side of the substrate 1.
  • the heat-conducting layer 21, which is preferably also provided as an electrical contact surface as indicated in FIG. 9, has a larger base area in FIG. 1 than that of the bare-die chip 2. It is also possible, in particular in the case of an SMD chip 2 to arrange the SMD terminals of the chip in relatively narrow edge regions of its underside and provided for thermal coupling with the heat sink good heat conducting coupling surface, preferably a conductive surface in the relatively large central area of the chip bottom side.
  • the plated-through holes 103 to 109 are connected at the top to the contact surfaces PAD2 or the heat-conducting layer 21 provided for connecting a chip to be mounted on the substrate and to the connection pads PAD3 at the bottom, which serve as external terminals of the component.
  • the plated-through holes 105, 107, 108, 109 and 106 are connected at the bottom to a common ground connection.
  • the via 109 may be connected in principle to a separate ground terminal.
  • the via 109 is part of a low-pass filter TPF, wherein z. B. between the conductive surfaces 111, 112 and 111, 113 in each case an inductive connection is realized.
  • the via 109 also forms a capacitance with a via 110 facing it, which conductively interconnects the stacked conductive surfaces 123 and 124.
  • the conductive surfaces 121 and 122 are conductively connected to each other by means of a via.
  • the areas 121, 112 and 122 form a multilayer capacitance, with the areas 121 and 122 of the first electrode and the area of the second electrode 112 of this multilayer capacitance being associated.
  • Signal conductors 101, 102, 103 are arranged in the region of the heat sink, wherein the horizontally extending signal conductors 101 and 102 are each arranged in a separate metallization plane.
  • the vertically extending signal conductor 103 is formed as a via.
  • a signal conductor 101, 103 can have both a horizontally extending section 101 and a vertically extending section 103. Both sections 101, 103 are arranged in FIG. 3A between the plated-through holes 105, 106, 108, 109 of the heat sink.
  • the signal conductor 101 forms, together with the ground areas 111 and 112 and the signal conductor 102 together with the ground areas 113 and 114, in each case a triplate line.
  • the vias 107 and 105 are provided in addition to their function as a heat sink for shielding the signal conductors 101 and 102 from the sides.
  • the plated-through holes 105, 106 are arranged around the vertically extending signal conductor 103, see also FIG. 3A.
  • the distance between the juxtaposed vias of a heat sink is preferably the same.
  • the diameter of the plated-through holes provided as a heat sink is preferably larger than that of the conventional electrical feedthroughs, also arranged in the substrate 1, e.g. B. the via 110th
  • the layer thickness of the ceramic layers contained in the substrate 1 is preferably the same. However, different layer thicknesses of the successive ceramic layers are also possible.
  • FIG. 2 schematically shows an arrangement of plated-through holes 105, 106, 108, 109, which together form a heat sink and are connected to a ground surface 112.
  • a ground plane 112 In the ground plane 112 is a recess 119 to the implementation-- A vertically extending portion 103 of the signal conductor 101, 103 is provided.
  • FIG. 3B shows a coplanar line which comprises two ground planes 112, 113 arranged in a plane and a horizontally extending signal conductor 101 arranged between them. To the ground surfaces 112, 113, the vias 108 of the heat sink are connected.
  • FIG. 5 shows a perspective view of the region of the heat sink according to FIG. 1.
  • the ground surfaces 113, 114 each serve as local ground and as heat spreaders
  • the plated-through holes 103 are shielded from each other by means of the via 106.
  • the signal conductor 102 is through the plated-through holes 108 shielded.
  • FIGS. 6 and 7 illustrate an advantageous LC filter integrated in the substrate 1. This filter is preferably integrated in the component according to FIG.
  • the ground surfaces 113, 111 and 112 are arranged one above the other and connected by means of the via 109 all connected to ground.
  • the ground planes form a first electrode of a multilayer capacitance.
  • Conductive interconnected conductive surfaces 121 and 122 are also provided to form this multilayer capacitance facing the surfaces 111 and 112 and 111 and 113, respectively.
  • the areas 121, 122 form a second electrode of the multilayer capacitance.
  • an inductance is realized by means of a conductor 131.
  • the distance between the capacitor plates, that is, the conductive surfaces 113 and 122, 122 and 111, 111 and 121, or 121 and 112 is h C i, h h C2r C3 or C4 h.
  • the distance between the conductor 131 and the conductive surface 112 or between the conductor 131 and the conductive surface 113 is h L i or h L2 .
  • the distance h L i or h L2 is twice as large as the distance h C i -h C4 between the capacitor plates.
  • the stray capacitance formed between the ground planes and the trace 131 is set comparatively small.
  • the conductor 131 may be folded in a spiral or meander shape. It can be provided in a plane a plurality of such traces. By means of adjacent conductor track sections, which are assigned to different inductances, a transformer coupling of these inductances can be realized.
  • the plated-through holes 108, 109 are preferably associated with the heat sink in FIG. 6 as in FIG. 1.
  • FIG. 7 shows the perspective view of an exemplary LC filter.
  • ground planes 712 and 713 are arranged, which are conductively connected to each other by means of the via 708.
  • the plated-through hole 708 is preferably provided as a heat sink.
  • a further ground plane 722 Connected to the ground plane 712 is a further ground plane 722, which is arranged (seen from above) in the third metallization plane.
  • To the ground plane 713 is another Ground plane 728 is connected, which is arranged in the eighth metallization.
  • the stacked conductive surfaces 728, 726 and 724 are conductively connected. Also, the conductive surfaces 725 and 721 are conductively connected. The surfaces 713, 728, 727 and 726 form a multi-layer capacitance connected to ground. This also applies to the surfaces 722, 721 and 712. The surfaces 726, 725 and 724 form one in the series branch, i. H. multilayer capacitance connected between the input IN and the output OUT of the filter.
  • An inductance L1, L13 is formed by a conductor track section L1 and a part of the through-connection 703 connected thereto.
  • Another inductance L3, L13 is formed by a conductor track section L3 and a part of the through-connection 703.
  • a conductor track section L2 is formed, which connects the plated-through holes 703 and 708 and together with them forms an inductance to ground.
  • the capacitor plates of a capacity see, for. B. the surfaces 722, 721, are arranged in the successive Metallmaschinesebenen so that the distance hei between these surfaces is equal to the thickness of the dielectric layer.
  • two metallization planes are arranged between the line section Ll arranged in the fourth plane from above and the ground plane 712 opposite it, so that the distance h L i between the line section L 1 and the surface 712 is equal to three times the thickness of the line dielectric layer or threefold distance hei is, if all metallization levels are arranged equidistant.
  • the distance h L3 between the line section L3 and the lower ground plane 713 is equal to twice the thickness of the dielectric layer.
  • the circuit according to FIG. 8 is designed for a dual-band device with a first band (4.9-5.85 GHz) and a second band (2.4-2.5 GHz). Sending and receiving paths of the two bands. which are connected by means of the antenna circuit as follows with the. Antenna connections ANT1, ANT2 interconnects: 1) ANT1 with path RX12 and ANT2 with path TX1, or 2) ANT2 with path RX12 and ANT1 with path TX12. You can switch between these two states (antenna diversity).
  • the antenna ANT1 or ANT2 When transmitting data in the first or second band, the antenna ANT1 or ANT2 is conductively connected by means of the antenna switch SW to a common reception path RX12 or transmission path TX12.
  • a diplexer DI is arranged in the common paths RX12, TX12.
  • the diplexers DI are provided for separating the transmission signals (or reception signals) of the two frequency bands.
  • Each diplexer DI comprises a low pass and a high pass and is preferably completely integrated in the substrate 1. The arrangement of diplexers on the substrate is possibly. also into consideration.
  • the received signals (or the transmission signals) of the first band are conducted by means of the corresponding high-pass filter into the first reception path RX1 (or first transmission path TX1).
  • the received signals (or the transmission signals) of the second band are conducted by means of the corresponding low-pass filter into the second reception path RX2 (or second transmission path TX2).
  • the Selection of a path RX1, RX2, TX1, TX2 thus takes place by means of the antenna switch SW and the diplexer designed here as a crossover.
  • a directional coupler KO In the specified component can, but not a directional coupler KO must be provided.
  • the directional coupler is disposed between the antenna switch SW and the diplexer DI arranged in the path TX12.
  • an RF power detector DD for monitoring the transmission power, which comprises a detector diode or a plurality of such interconnected diodes.
  • a bandpass filter BPF1, BPF2, BPF3 or BPF4 an amplifier PA or LNA and a balun BALI or BAL2 are arranged in succession.
  • the possibly a filter comprehensive or realized in a filter balun serve each to symmetrize the i. d. R. single-ended trained input and output ports of the amplifiers LNA, PA, in a variant to adapt the amplifier connections to the interface of the WLAN transceiver.
  • the bandpass filters BPF3, BPF4 arranged in the reception paths enable the suppression of GSM, PCS and DCS signals.
  • the higher harmonics are suppressed by the low-pass filters arranged in these paths.
  • the circuit shown in Figure 8 comprises a circuit comprising the following functional blocks: a crossover block FW, a filter block FIL, an amplifier block AMP and a transformer block BAL.
  • the crossover block FW and the filter block FIL as a functional block - the LC filter block - realized, which also includes the directional coupler KO.
  • the functional blocks are realized in the substrate 1.
  • each functional block 1) is assigned FW, FIL, KO, 2) AMP and 3) BAL and a separate area of the substrate 1.
  • the crossover block FW comprises the two diplexers DI and / or the directional coupler KO and the electrical load connected thereto.
  • This block can also include filters not shown in FIG. 8, which are arranged in the common transmission path TX12 and / or common reception path RX12.
  • the filter block FIL comprises realized in the substrate 1 bandpasses BPFL - BPF4 and / or the electrical connections to the mounted on the substrate 1 bandpasses BPE 1 I - result BPF4.
  • the amplifier block AMP includes the heat sink 103-109 and the RF or DC connections leading to the amplifier chips PA, LNA.
  • the transmitter block BAL comprises the baluns BALI, BAL2 and / or the electrical connections leading to the baluns BALI, BAL2 arranged on the substrate 1.
  • the chips SW, PA, LNA, DD, X1, X2 are arranged on the substrate top.
  • the contact surfaces PAD1 are provided for electrical connection to the chips X1, the contact surfaces PAD2, 21 for connection to the chip PA, 2 and the contact surface DET for connection to the chip DD.
  • At least one semiconductor switch - antenna switch - is integrated in the chip SW. It is also possible to arrange different switches in a common chip.
  • chip PA at least one power amplifier is integrated. It is possible to form the power amplifiers arranged in different transmission paths TX1, TX2, each in a separate chip. It is also possible, however, to arrange the power amplifiers arranged in different transmission paths as in FIG. 9 in a common chip. This also applies to the chip LNA with the low-noise amplifiers arranged in reception paths RX1, RX2. • •. -
  • Im-Chip DD is a power detector, z; B. realized at least one PIN diode.
  • B. coils or band-pass filter BPFl - BPF4 realized, which are arranged in the first transmitting and / or receiving path TXL, RXL.
  • B. coils or band-pass filter BPFl - BPF4 realized, which are arranged in the first transmitting and / or receiving path TXL, RXL.
  • the chips X2 then components are realized, which are arranged in the second transmitting and / or receiving path TX2, RX2.
  • the bandpass filters BPF1-BPF4 may alternatively be LC filters integrated in the substrate 1.
  • the chips PA, SW and LNA are available in the variant shown in FIG. 9 as bare dies, the chips X1, X2 as SMD chips and the chip DD as a packaged chip.
  • the chip DD can z. B. in flip-chip technology or by means of an SMD mounting on the contact surfaces DET of the substrate 1 are mounted.
  • the design of the components of the circuit shown in the diagram of Figure 8 is not limited to the variant of Figure 9. It is understood that any components of this circuit in any type of chip -. B. bare-dies, packaged chips, SMD chips - can be realized. In a variant, it is possible to dispense with at least one functionality or the associated building block of the module presented in FIGS. 8 and 9. Vorzugswei- All the passive function blocks of the module are integrated in the substrate. In particular, matching networks of any kind for adapting the impedance of the respective functional block of the component, in particular for adapting the input and output impedance of a signal path, can be integrated in the substrate.
  • PADl Contact surfaces for SMD components Xl
  • PAD3 Electrical connections at the bottom of the substrate

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Abstract

Gemäß einer ersten Variante wird ein elektrisches Bauelement mit einem Substrat (1) angegeben, durch das eine Wärmesenke (109) hindurch geführt ist, die in einem im Substrat (1) realisierten Filter integriert ist. Gemäß einer zweiten Variante wird ein elektrisches Bauelement mit einem Substrat (1) angegeben, durch das eine Wärmesenke (103, 104) hindurch geführt ist, die zur Signaldurchführung dient. Gemäß einer dritten Variante wird ein elektrisches Bauelement mit einem Substrat (1) angegeben, durch das eine Wärmesenke (105, 108) hindurch geführt ist, die an eine im Substrat (1) verborgene leitende Fläche (111, 112, 113) angeschlossen ist.

Description

Beschreibung
Elektrisches Bauelement
Es wird ein elektrisches Bauelement angegeben, das z. B. auf der Frontendseite von Funkgeräten einsetzbar ist.
Bekannt sind in Funkgeräten einsetzbare Bauelemente z. B. aus den folgenden Druckschriften: A. Chernyakov et al , „Novel Small-Size LTCC-Based WLAN Frontend-Modules with Integrated Power Amplifiers", 2004 IEEE MTT-S Digest, SS. 559-562; US 6097268, EP 0939449 A2 , GB 2369013 A.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein elektrisches Bauelement anzugeben, das einen geringen Platzbedarf und eine hohe Leistungsverträglichkeit aufweist.
Es wird ein elektrisches Bauelement mit einem Substrat angegeben, durch das eine Wärmesenke hindurch geführt ist, wobei die Wärmesenke Bestandteil eines im Substrat realisierten Schaltkreises ist.
Durchführung durch das Substrat hindurch bedeutet z . B . eine Durchführung der Wärmesenke vorzugsweise auf dem kürzesten Wege von oben nach unten, also vertikal zur Substratebene, bzw. von der Oberseite zur Unterseite des Substrats.
Das Substrat ist vorzugsweise ein Mehrschichtsubstrat mit mindestens drei Metallisierungsebenen, wobei zwischen jeweils zwei Metallisierungsebenen eine dielektrische Schicht angeordnet ist. Die dielektrischen Schichten können z. B. Keramik, insbesondere eine LTCC-Keramik enthalten. LTCC steht für Low-Temperature Co-fired Ceramics . _ o —
Im Bauelement ist eine Gesamtschaltung realisiert, die in einer bevorzugten Variante die folgenden integrierten Funktionseinheiten umfasst : mindestens einen Antennenschalter, Frequenzweichen, Verstärkerelemente, Filter, Übertrager zur Balancierung der Signalpfade (Baluns) , ggf. auch Richtkoppler und HF-Leistungsdetektor. Die Verstärkerelemente umfassen Sendeverstärker und Empfangsverstärker.
Die Gesamtschaltung des Bauelements umfasst den im Substrat integrierten Schaltkreis, der im Substrat ausgebildete Funktionsblöcke aufweist. Die Funktionsblöcke umfassen z. B. einen Frequenzweichen-Block, einen Verstärkerblock, einen Filterblock, ggf. einen Übertragerblock. Die nachstehend erläuterten Funktionsblöcke sind über Verbindungsleitungen elektrisch miteinander verbunden.
Der im Substrat integrierte Schaltkreis umfasst Signalpfade und die darin angeordneten Schaltungselemente wie z. B. LC- Filter, darunter auch Frequenzweichen, Richtkoppler, Baluns sowie Anpassnetzwerke und/oder Impedanzwandler zur Anpassung der Impedanz von Signalpfaden. Die Impedanzwandler sind vorzugsweise in den Filtern oder Baluns integriert .
In dem im Substrat integrierten Schaltkreis können als LC- Filter z. B. die folgenden Komponenten realisiert sein: mindestens ein Tiefpassfilter, mindestens ein Hochpassfilter und mindestens ein Bandpassfilter . Die LC-Filter können einen Hochpass, einen Tiefpass, einen Bandpass und/oder einen Balun umfassen, die Bestandteile einer Frequenzweiche - eines Diplexers oder eines Duplexers - sein können. Ein Diplexer ist eine meist die Kombination eines Tiefpasses und eines Hochpasses umfassende Frequenzweiche, die zur Trennung von Signalen verschiedener Frequenzbänder geeignet ist . Ein Duplexer ist eine Frequenzweiche, die zur Trennung von Sende- und Empfangssignalen eines Frequenzbandes geeignet ist.
Die Filter können balanciert sein, d. h. ein single-ended und ein balanced Tor aufweisen.
Der Schaltkreis umfasst ferner in Metallisierungsebenen des Substrats angeordnete elektrische Verbindungen sowie vertikal verlaufende elektrische Verbindungen, insbesondere Verbindungsleitungen zwischen den auf der Unterseite des Substrats angeordneten Anschlüssen und auf der Oberseite des Substrats angeordneten Kontaktflächen zur Kontaktierung der auf der O- berseite des Substrats montierten Chips. Der Schaltkreis umfasst auch die Verbindungsleitungen zwischen separaten, im Substrat integrierten, nachstehen erläuterten Funktionsblöcken. Der Schaltkreis umfasst auch die Verbindungsleitungen zwischen den Chips und den Funktionsblöcken.
Das angegebene Bauelement umfasst auf dem Substrat befestigte Chips, die elektrisch mit dem im Substrat integrierten Schaltkreis verbunden sind. Die Chips können auf dem Substrat mittels einer z. B. elektrisch leitfähigen Haftschicht befestigt werden. Die Chips können z. B. mittels Bonddrähte oder Bumps leitend mit auf der Oberseite des Substrats angeordneten Kontaktflächen verbunden sein. Die Haftschicht kann auch elektrisch isolierend sein. Die Chips umfassen mindestens einen Chip, insbesondere einen Halbleiterchip, der im Betrieb des Bauelements mit Hilfe der Wärmesenke gekühlt werden soll .
Auf dem Substrat kann zumindest eine der folgenden Komponenten realisiert sein: ein Umschalter bzw. Antennenschalter, ein HF-Leistungsdetektor, Sende- und Empfangsverstärker, ein Bandpassfilter, ein Duplexer, ein Balun. Der Leistungsdetektor zur Überwachung des Leistungspegels des Sendesignals kann z. B. wenigstens eine PIN-Diode umfassen. Der oder die Schalter können in einer Variante Feldeffekttransistoren umfassen. Der Antennenschalter kann z. B. ein GaAs-Schalter sein. Die auf dem Substrat angeordneten Bandpässe und/oder Duplexer sind z. B. mit akustischen Wellen arbeitende Chips.
Die auf dem Substrat angeordneten Komponenten können Bare- Dies oder gehäuste Chips sein. Diese Chips können oberflä- chenmontierbar sein. Sie können aber auch in Flip-Chip- oder Bonddraht-Technik auf dem Substrat montiert bzw. elektrisch mit diesem verbunden sein. Diese Komponenten können z. B. mittels einer verhärteten Vergussmasse verkapselt sein. Sie können aber auch einzeln oder gemeinsam unter einem Deckel angeordnet sein, der mit der Substrat-Oberseite abschließt.
In einer vorteilhaften Variante sind alle passiven Elemente wie Bandpässe, Tiefpässe, Hochpässe, Anpassnetzwerke, Diple- xer und ggf. Duplexer im Substrat in Form von LC-Elementen realisiert bzw. integriert.
Die Wärmesenke ist oben thermisch an den zu kühlenden Chip, z. B. Halbleiterchip und unten an ein Wärmereservoir wie z. B. einen gut wärmeleitenden Körper mit einer großen Oberfläche gekoppelt . Die Wärmesenke dient vorzugsweise zur Abfuhr der im Halbleiterchip erzeugten Wärme, wobei im Halbleiterchip vorzugsweise ein Verstärkerelement, insbesondere mindestens ein im Sendepfad angeordneter Leistungsverstärker PA realisiert ist. Die Wärmesenke ist vorzugsweise direkt unter diesem Chip angeordnet. Der elektrische Schaltkreis umfasst insbesondere in den Signalpfaden angeordnete LC-Filter. Dabei sind hauptsächlich kapazitiv wirkende Schaltungselemente, die im Folgenden einfach Kapazitäten genannt werden, vorzugsweise als übereinander angeordnete leitende Flächen ausgebildet. Die hauptsächlich induktiv wirkenden Schaltungselemente, die im Folgenden einfach Induktivitäten genannt werden, sind vorzugsweise als schmale, langgestreckte oder gefaltete Leiterbahnabschnitte oder als im Substrat angeordnete Durchkontaktierungen ausgebildet .
Bei einem Mehrschicht-Bauelement umfasst die Wärmesenke mindestens eine Säule aus übereinander angeordneten, vertikalen elektrischen Verbindungen, die jeweils in einer dielektrischen Schicht des Substrats angeordnet sind und zwei aufeinander folgende Metallisierungsebenen leitend verbinden. Vorzugsweise sind in einer Wärmesenke mehrere solche Säulen vorgesehen, die nebeneinander angeordnet sind. Diese Säulen werden auch Durchkontaktierungen genannt .
Die Wärmesenke weist einen geringen thermischen Widerstand auf. Die Durchkontaktierungen einer Wärmesenke weisen eine hohe Wärmeableitung, z. B. mindestens 250 W/mK, vorzugsweise mindestens 300 W/mK auf.
Die Durchkontaktierungen einer Wärmesenke weisen jeweils vorzugsweise eine größere Querschnittsgröße auf als sonstige im Substrat angeordnete, als vertikale leitende Verbindungen, aber nicht als Wärmesenke vorgesehene Durchkontaktierungen.
Die Wärmesenke kann an einen auf der Substrat-Unterseite angeordneten Masseanschluss angeschlossen sein und somit als eine Masseanbindung des Verstärkerelements und/oder der weiteren auf dem Substrat angeordneten Chips bzw. der im Sub- strat integrierten Komponenten (der LC-Filter) dienen. Die Wärmesenke, die mehrere an Masse angeschlossene Durchkontak- tierungen umfasst, ist zur elektromagnetischen Abschirmung eines (signalführenden) Signalleiters geeignet. Der Signal- leiter kann z. B. eine HF-Verbindung, eine Steuerleitung oder eine Versorgungsleitung des Halbleiterchips sein.
Der abzuschirmende Signalleiter ist zumindest teilweise im Bereich der Wärmesenke, vorzugsweise zwischen den Durchkon- taktierungen der Wärmesenke angeordnet. Der abzuschirmende Signalleiter kann einen in einer Metallisierungsebene ausgebildeten Leiterbahnabschnitt und/oder eine vertikal verlaufende elektrische Verbindung, d. h. eine Durchkontaktierung, umfassen. Der Signalleiter kann als eine (weitere) Wärmesenke des Chips vorgesehen sein. Diese Wärmesenke ist an einen auf der Substrat-Unterseite angeordneten Signalführenden An- schluss angeschlossen.
Die Wärmesenke kann an eine im Substrat verborgene leitende Fläche, vorzugsweise eine Massefläche angeschlossen sein, die dann einerseits als „heat spreader", d. h. zur Verteilung der Wärme im Substratvolumen, und andererseits im Schaltkreis des Bauelements z. B. als eine lokale Masse dient. Diese leitende Fläche kann z. B. zur Bildung einer Kapazität, insbesondere einer Vielschicht-Kapazität, und/oder zur Abschirmung eines Signalleiters von oben bzw. unten dienen. Eine Durchkontaktierung der Wärmesenke kann in verschiedenen Ebenen angeordnete Masseflächen leitend verbinden.
Vorzugsweise sind zwei an die Durchkontaktierungen der Wärmesenke angeschlossene Masseflächen vorgesehen, zwischen denen der horizontal verlaufende Abschnitt des Signalleiters verläuft. Die vorzugsweise in einem geringen Abstand voneinander angeordneten Durchkontaktierungen der Wärmesenke gewährleisten eine Abschirmung zu beiden Seiten des Signalleiters.
Die Durchkontaktierungen der Wärmesenke können im gleichen Abstand vom Signalleiter angeordnet sein. Unter einem Abstand zwischen zwei Durchkontaktierungen einer Wärmesenke ist der Mindestabstand zwischen den Mittelachsen dieser Durchkontaktierungen zu verstehen. Dieser Abstand ist vorzugsweise nicht größer als die dreifache Querschnittsgröße einer Durchkontak- tierung der Wärmesenke.
Im Substrat kann eine elektrische Leitung, insbesondere eine Streifenleitung oder eine Mikrostreifenleitung ausgebildet sein, die den Signalleiter und mindestens einen Masseleiter umfasst, der vorzugsweise die an die Wärmesenke angeschlossene leitende Fläche ist. Die elektrische Leitung, insbesondere ihre vertikal verlaufenden Abschnitte können auch die Durchkontaktierungen der Wärmesenke umfassen. Die vertikal verlaufenden Abschnitte der elektrischen Leitung sind nachstehend erläutert. Die Masseleiter, die Durchkontaktierungen der Wärmesenke und/oder der Signalleiter können jeweils im bereits erwähnten LC-Filter integriert oder Bestandteil eines Anpassnetzwerks sein. Die Leitung kann Stichleitungen und/oder Verzweigungen umfassen.
An die Wärmesenke und/oder diese leitende Fläche kann ein Leiterbahnabschnitt angeschlossen werden, der zur Bildung einer Induktivität vorgesehen ist. Somit ist es möglich, ein LC-Filter auszubilden, in dem die Wärmesenke vorzugsweise als ein induktiv wirkendes Element wirkt .
Vorteilhaft ist eine Wärmesenke, die mehrere um einen vertikal verlaufenden Signalleiter angeordnete Durchkontaktierun- gen umfasst. Der vertikal, d. h. parallel zu den Durchkontak- tierungen der Wärmesenke verlaufende Signalleiter ist eine signalführende Durchkontaktierung. Diese Anordnung kann mit einer Koaxialleitung mit einem Signalleiter verglichen werden, der durch einen rohrförmigen Masseleiter abgeschirmt ist. Möglich ist dabei beispielsweise eine Hexagonalanordnung der Durchkontaktierungen um den Signalleiter. Somit wird der vertikal verlaufende Signalleiter in einer Lateralebene im Wesentlichen allseitig abgeschirmt.
Die verschiedenen Durchkontaktierungen der Wärmesenke übernehmen elektrische Funktionen, indem sie z. B. 1) als lokale Masse eines LC-Filters dienen und induktive oder kapazitive Effekte beitragen, 2) Masseleiter einer HF-Leitung sind, und/oder 3) als Abschirmung zwischen benachbarten Signalleitern dienen.
Im Substrat können auch mehrere Wärmesenken vorgesehen sein, die jeweils eine eigene elektrische Funktion erfüllen. So kann z. B. eine erste Säule als eine Induktivität in einem LC-Filter fungieren, mindestens eine zweite Säule zur Durchführung eines HF-Signals, eine dritte Säule zur Durchführung einer VersorgungsSpannung und mehrere vierte Säulen zur e- lektromagnetischen Abschirmung eines zwischen den vierten Säulen angeordneten Signalleiters dienen.
Die Durchkontaktierungen einer Wärmesenke bilden in einer Variante mindestens eine Reihe, wobei der Abstand zwischen jeweils zwei in der Reihe aufeinander folgenden Durchkontaktierungen im Wesentlichen gleich ist.
Die leitende Fläche und der Signalleiter können in derselben Metallisierungsebene angeordnet sein und einander gegenüber stehen. In einer Variante können zwei in einer Metallisierungsebene angeordnete leitende Flächen vorgesehen sein, zwischen denen der Signalleiter angeordnet ist. Dies ist eine als Koplanarleitung bekannte Streifenleitung.
Die leitende Fläche und der Signalleiter können aber auch in verschiedenen Metallisierungsebenen übereinander angeordnet sein. In einer Variante können zwei übereinander angeordnete leitende Flächen vorgesehen sein, zwischen denen der Signal- leiter angeordnet ist. Dies ist eine als Triplate-Leitung bekannte Mikrostreifenleitung.
Im Prinzip kann durch die Kombination aus einer oder mehreren leitenden Flächen, die an die Wärmesenke angeschlossen sind, und eines diesen gegenüber liegenden Signalleiters eine beliebige elektrische Leitung realisiert werden. Die Durchkon- taktierungen der Wärmesenke gewährleisten - verglichen mit den herkömmlichen Streifenleitungen - eine . zusätzliche Abschirmung des Signalleiters.
Der Signalleiter kann sowohl einen horizontal als auch einen vertikal verlaufenden Abschnitt aufweisen. In der leitenden Fläche, die über oder unter dem horizontal verlaufenden Abschnitt des Signalleiters angeordnet ist, ist dann vorzugsweise eine Aussparung zur Durchführung des vertikal verlaufenden Abschnitts des Signalleiters vorgesehen.
Die Elemente eines Funktionsblocks sind in einer bevorzugten Variante kompakt und räumlich abgrenzbar von den Elementen anderer Funktionsblöcke angeordnet. Möglich ist aber auch, dass mindestens zwei Funktionsblöcke in einem gemeinsamen Volumen angeordnet sind, wobei ihre Elemente in diesem Volumen verteilt, aber von den Elementen weiterer Funktionsblöcke abgrenzbar sind.
Der Frequenzweichen-Block umfasst z. B. Diplexer, Duplexer, Richtkoppler und zum Antennenschalter führende Verbindungs- leitungen, darunter HF-Signalleitungen, DC-Versorgungsleitun- gen und Steuerleitungen, über die dem Schalter Steuersignale zugeführt werden. Die Diplexer und die Duplexer können jeweils aus den LC-Filtern bestehen. In einer vorteilhaften Variante ist dieser Block unterhalb eines Antennenschalters und/oder eines HF-Detektors angeordnet.
Der Filterblock umfasst die in den Empfangs- und Sendepfaden des Bauelements angeordneten, im Substrat integrierten LC- Filter. Der Filterblock kann in einer Variante den Frequenzweichen-Block umfassen.
Die Verstärkerelemente umfassen die in den Sendepfaden angeordneten Leistungsverstärker PA und die in den Empfangspfaden angeordneten rauscharmen Verstärker LNA.
Der Verstärkerblock ist unterhalb der Verstärkerelemente angeordnet und umfasst die zu diesen führenden elektrischen HF- Signalleitungen, DC-Leitungen zur Stromversorgung der Verstärkerelemente und die zur Ansteuerung der Verstärker vorgesehenen Steuerleitungen, insbesondere vertikal verlaufende elektrische Verbindungen. Der Verstärkerblock umfasst in einer Variante auch die bereits erläuterte Wärmesenke. Diese Wärmesenke kann in dem Filterblock z. B. zur Bildung von kapazitiv bzw. induktiv wirkenden Schaltungselementen integriert sein. Durch die elektrische Wechselwirkung des Verstärkerblocks und des LC-Filterblocks gelingt es, das Gesamtvolumen des Substrats besonders gering zu halten. Der Übertragerblock umfasst Baluns und kann z. B. bei balancierten Filtern im Filterblock realisiert sein. Die Baluns können aber auch in einem separaten Funktionsblock ausgebildet sein.
Im Prinzip kann anstelle der separaten Blöcke, ausgewählt aus dem Frequenzweichen-Block, dem Filterblock und dem Übertragerblock ein die Frequenzweichen und die LC-Filter umfassender LC-Filterblock vorgesehen sein. Der LC-Filterblock kann ferner Baluns und/oder Richtkoppler umfassen. Die LC-Filter können balancierte Filter umfassen, wobei sich ein separater Übertragerblock mit Baluns erübrigt .
Jedem Funktionsblock ist vorzugsweise ein separater Substrat- bereich zugewiesen, wobei die zueinander gewandten Grenzbereiche der benachbarten Funktionsblöcke miteinander elektromagnetisch wechselwirken können. In einer Variante ist das Substratvolumen derart aufgeteilt, dass 1) der Verstärkerblock, 2) der LC-Filterblock mit den Frequenzweichen, dem Richtkoppler und den LC-Filtern und 3) der Übertragerblock jeweils ungefähr ein Drittel des Substratvolumens einnehmen.
Ferner wird ein elektrisches Multiband-Bauelement angegeben, das ein Substrat und auf diesem angeordnete Verstärkerelemente umfasst. Das Substrat umfasst einen Verstärkerblock und einen LC-Filter umfassenden LC-Filterblock. Das Volumen des LC-Filterblocks ist maximal doppelt so groß wie der Verstärkerblock.
Durch das verhältnismäßig klein gewählte Volumen des LC- Filterblocks ist es möglich, ein besonders kompaktes hoch integriertes Bauelement bereitzustellen. Zumindest zwei der LC-Filter können einer Frequenzweiche zugeordnet sein. Die übrigen LC-Filter können in den Signalpfaden angeordnet sein, die jeweils einem Frequenzband des Bauelements zugeordnet sind.
Das Volumen des LC-Filterblocks beträgt in einer Variante maximal 2/3 des Gesamtvolumens des Substrats.
Das Volumen des LC-Filterblocks ist in einer bevorzugten Variante maximal so groß wie das des Verstärkerblocks bzw. beträgt maximal die Hälfte des Gesamtvolumens des Substrats. Dies ist z. B. bei einer relativ hohen Dielektrizitätskonstante εr _> 15 möglich.
Des weiteren wird ein elektrisches Bauelement angegeben, umfassend in parallelen Ebenen übereinander angeordnete, äußere leitende Flächen, zwischen denen eine mittlere leitende Fläche und eine zweite Leiterbahn angeordnet ist . Zwischen der mittleren leitenden Fläche und einer der äußeren leitenden Flächen ist eine erste Leiterbahn angeordnet. Der Abstand zwischen der zweiten Leiterbahn zu je einer der äußeren leitenden Flächen ist größer als der Abstand zwischen der ersten Leiterbahn und den ihr gegenüberstehenden leitenden Flächen.
Die äußeren leitenden Flächen sind mit der mittleren leitenden Fläche vorzugsweise leitend verbunden und z. B. an Masse angeschlossen.
Die erste Leiterbahn bildet vorzugsweise eine leitende Fläche, die eine erste Kapazität mit der ersten äußeren leitenden Fläche und eine zweite Kapazität mit der mittleren leitenden Fläche bildet. Es kann eine weitere erste Leiterbahn vorgesehen sein, die eine dritte Kapazität mit der zweiten äußeren leitenden Fläche und eine vierte Kapazität mit der mittleren leitenden Fläche bildet . Die beiden ersten Leiterbahnen, die mittlere leitende Fläche sowie die äußeren leitenden Flächen sind in parallelen Ebenen übereinander angeordnet. Die beiden ersten Leiterbahnen sind mittels einer Durchkontaktierung leitend miteinander verbunden. Die ersten Leiterbahnen bilden eine erste Elektrode einer Vielschicht- Kapazität. Die äußeren leitenden Flächen und die mittlere leitende Fläche bilden dann eine zweite Elektrode dieser Vielschicht-Kapazität .
Die zweite Leiterbahn ist vorzugsweise durch einen hauptsächlich induktiv wirkenden Leiterbahnabschnitt gebildet, der einen langgestreckten und/oder einen gefalteten Abschnitt aufweist. Die zweite Leiterbahn ist zwischen den äußeren leitenden Flächen angeordnet und durch diese nach unten und nach oben abgeschirmt. Sie bildet mit der jeweiligen äußeren leitenden Fläche eine parasitäre Kapazität, die dadurch besonders gering ausfällt, dass der Abstand zwischen diesen übereinander angeordneten leitenden Strukturen vergleichsweise groß gewählt ist. Falls die zweite Leiterbahn und die mittlere leitende Fläche in einer Ebene ausgebildet sind, ist dieser Abstand ungefähr doppelt so groß wie zwischen den einander gegenüber liegenden leitenden Flächen, die zur Bildung der Vielschicht-Kapazität vorgesehen und verschiedenen Elektroden dieser Kapazität zugeordnet sind.
Es können auch mehrere zweite Leiterbahnen vorgesehen sein, die z. B. in einer Metallisierungsebene angeordnet sind. Sie können aber auch in verschiedenen Ebenen angeordnet sein und jeweils unterschiedliche Abstände zu den äußeren leitenden Flächen haben. Wesentlich ist dabei stets, dass die induktiv wirkenden Leiterbahnen als Komponenten des Schaltkreises in vertikaler Richtung einen größeren Abstand zu den Masseflächen haben als die leitenden Flächen, die zur Bildung von Vielschicht-Kapazitäten mit diesen Masseflächen vorgesehen sind.
Die eben beschriebenen Komponenten des Schaltkreises - die Vielschicht-Kapazität und die Induktivität - können insbesondere Bestandteile eines LC-Filter realisieren. Die Wärmesenke kann auch in diesem LC-Filter integriert sein. Beispielsweise ist es möglich, die mittlere und die äußeren leitenden Flächen mittels einer der Wärmesenke zugeordneten Durchkontak- tierung leitend zu verbinden.
Das angegebene Bauelement ist vorzugsweise als ein hochintegriertes Frontend-Modul vorgesehen. Insbesondere kann im Bauelement, vorzugsweise zumindest teilweise im Substrat eine Multiband/Multimode Schaltung realisiert sein. Im Schaltkreis des Bauelements können Signalpfade für ein 2,4 GHz-Band (2,4 ... 2,5 GHz) und ein 5 GHz-Band (4,95 ... 5,8 GHz) realisiert, sein.
Das Frontend-Modul kann als ein WLAN-Modul, in einer Variante ein Dual-Band/Triple-Mode Modul vorgesehen sein. Ein solches Modul überträgt, verstärkt und transformiert Sende- und Empfangssignale und sperrt störende Signale zwischen WLAN Trans- ceiver IC und Antennen.
Vorzugsweise sind pro Frequenzband bzw. im jeweiligen Signal- pfad mindestens ein Filter, ein Verstärker und ein Balun vorgesehen. Der Signalpfad kann ein Sendepfad oder ein Empfangs- pfad sein. Im Sendepfad ist vorzugsweise ein Tiefpassfilter oder ein Bandpassfilter und ein Leistungsverstärker (Power Amplifier) angeordnet. Im Empfangspfad ist vorzugsweise ein Bandpassfilter und ein rauscharmer Verstärker (Low Noise Amplifier) angeordnet. Die Umschaltung zwischen diesen Signalpfaden und den Antennenanschlüssen erfolgt mittels des Schalters und den Frequenzweichen.
Das Bauelement kann als ein kompaktes SMD-Bauteil realisiert sein. SMD steht für Surface Mounted Device. Die Grundfläche • des Bauteils ist z. B. zwischen 6 x 6 mm2 bis 8 x 8 mm2 gewählt .
Die Anzahl und die Dicke der dielektrischen Schichten sowie die Gesamtdicke des Substrats ist vorzugsweise so gewählt, dass eine effiziente Wärmeableitung durch die Wärmesenke möglich ist. Die Anzahl der dielektrischen Schichten kann z. B. 3 bis 15 oder auch mehr sein. Die Dicke der Schichten liegt in einer Variante zwischen 35 und 150 μm. Die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schichten kann z. B. zwischen 5 und 200 sein. Die durch die Gesamtdicke des Substrats gegebene Höhe des Bauteils ist vorzugsweise <_ 1,5 mm, in einer Variante maximal 1 mm. Die Platzersparnis im Vergleich zu herkömmlichen Frontend-Lösungen aus diskreten Bauelementen kann bis zu 90% betragen. Dies ist insbesondere für die Anwendung in Mobilfunk-Endgeräten und Multimedia-Handgeräten von Vorteil .
Im Folgenden wird das elektrische Bauelement anhand schemati- scher und nicht maßstabsgetreuer Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ausschnittsweise den Querschnitt des Bauelements mit einem Substrat und darin angeordneten Wärmesenken; Figur 2 ein Beispiel einer Wärmesenke, die mehrere Durch- kontaktierungen umfasst, wobei im Bereich der Wärmesenke ein Signalleiter verläuft;
Figur 3A eine Wärmesenke, deren Durchkontaktierungen um einen vertikal verlaufenden Signalleiter angeordnet sind und diesen abschirmen;
Figur 3B eine Koplanarleitung, deren Masseleiter an die Durchkontaktierungen der Wärmesenke angeschlossen sind;
Figur 4 den Bereich der Wärmesenke, die oben thermisch an einen Chip gekoppelt ist;
Figur 5 den Bereich der Wärmesenke, in dem ein Signalleiter verläuft;
Figur 6 ausschnittsweise ein im Substrat des Bauelements integriertes LC-Filter mit induktiv und kapazitiv wirkenden Schaltungselementen;
Figur 7 eine beispielhafte Realisierung eines LC-Filters;
Figur 8 das Ersatzschaltbild des hochintegrierten Frontend- Moduls gemäß Figur 9;
Figur 9 eine perspektivische Ansicht des Moduls gemäß Figur 8.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt eines Bauelement mit mehreren Wärmesenken, die im Schaltkreis des Bauelements verschiedene elektrische Funktionen erfüllen. Das Bauelement umfasst ein Substrat 1 mit. übereinander angeordneten Keramikschichten und dazwischen angeordneten Metallisierungsebenen, die mittels Durchkontaktierungen 103 - 110 leitend miteinander sowie mit der obersten und der untersten Metallisierungsebene des Substrats 1 verbunden sind.
In der auf der Oberseite des Substrats 1 angeordneten obersten Metallisierungsebene sind Kontaktflächen PADl, PAD2 , DET zum Anschließen von auf dem Substrat 1 montierbaren Chips 2, PA, LNA, DD, SW, Xl, X2 ausgebildet (Fig. 5, 9) . In der auf der Unterseite des Substrats 1 angeordneten untersten Metallisierungsebene sind Außenanschlüsse PAD3 (Fig. 5) des Bauelements ausgebildet, die in einer Variante eine SMD-kompati- ble Schnittstelle zur Leiterplatte bilden, die das Substrat 1 und den WLAN Transceiver-Chip trägt.
Das Substrat 1 umfasst einen darin integrierten, elektrisch mit den Kontaktflächen und den Außenanschlüssen verbundenen Schaltkreis und darin angeordnete Wärmesenken 103 - 109, die in diesem Schaltkreis als Schaltungskomponenten integriert sind. Das Bauelement umfasst ferner ein auf diesem befestigtes Verstärkerelement 2, das mittels seiner Bonddrähte 201, 202 elektrisch an die Durchkontaktierungen 103, 104 und somit an den Schaltkreis des Substrats 1 gekoppelt ist . Die Durchkontaktierung 103 bzw. 104 kann, muss aber nicht eine Wärmesenke sein.
Im Substrat ist eine Wärmesenke ausgebildet, die durch das Substrat von oben nach unten durchgeführte Durchkontaktierun- gen 105, 107, 108, 109 umfasst. Diese Durchkontaktierungen sind in verschiedenen Metallisierungsebenen an Masseflächen 113, 114, 112, 111 und andere Masseflächen angeschlossen. Diese Wärmesenke ist oben mittels einer relativ großflächi- gen, gut wärmeleitenden Schicht 21 an das Verstärkerelement 2 und unten (siehe Fig. 4) mittels der ebenfalls gut wärmeleitenden und vorzugsweise auch großflächig ausgebildeten Schicht 113 an eine in den Figuren 1, 4 nicht gezeigte Leiterplatte (Motherboard) elektrisch und thermisch gekoppelt . Diese Leiterplatte dient vorzugsweise als Träger für das angegebene Bauelement (z. B. das LTCC-Modul) , eine IC (z. B. WLAN Transceiver-Baseband IC) , die an die Antennenanschlüsse ANTl, ANT2 anschließbaren Antennen und die Verbindungsleitun- gen zwischen diesen Komponenten. Die Leiterplatte kann außerdem als ein Kühlkörper für den zu kühlenden Chip auf der O- berseite des Substrats 1 dienen.
Die wärmeleitende Schicht 21, die wie in Figur 9 angedeutet vorzugsweise auch als eine elektrische Kontaktfläche vorgesehen ist, hat in Fig. 1 eine größere Grundfläche als die des Bare-Die-Chips 2. Möglich ist es auch, insbesondere bei einem SMD-Chip 2 die SMD-Anschlüsse des Chips in relativ schmalen Randbereichen seiner Unterseite und eine zur thermischen Kopplung mit der Wärmesenke vorgesehene gut wärmeleitende Koppelfläche, vorzugsweise eine leitende Fläche im relativ großflächigen Mittenbereich der Chipunterseite anzuordnen.
Die Durchkontaktierungen 103 bis 109 sind oben an die zum Anschließen eines auf dem Substrat zu montierenden Chips vorgesehenen Kontaktflächen PAD2 bzw. die wärmeleitende Schicht 21 und unten an die Anschlussflächen PAD3 angeschlossen, die als Außenanschlüsse des Bauelements dienen. Dabei sind in der in Fig. 1 gezeigten Variante die Durchkontaktierungen 105, 107, 108, 109 und 106 unten an einen gemeinsamen Masseanschluss angeschlossen. Möglich ist aber auch, die Durchkontaktierun- gen 106 und ggf. 105 an einen separaten Masseanschluss anzu- schließen. Auch die Durchkontaktierung 109 kann im Prinzip an einen separaten Masseanschluss angeschlossen sein.
Die Durchkontaktierung 109 ist ein Teil eines Tiefpassfilters TPF, wobei z. B. zwischen den leitenden Flächen 111, 112 und 111, 113 jeweils eine induktive Verbindung realisiert ist. Die Durchkontaktierung 109 bildet außerdem eine Kapazität mit einer ihr gegenüber stehenden Durchkontaktierung 110, die die übereinander angeordneten leitenden Flächen 123 und 124 leitend miteinander verbindet .
Die übereinander angeordneten, mit verschiedenen elektrischen Potentialen beaufschlagten leitenden Flächen in den Figuren 1 und 6 bilden eine Kapazität im Sinne des angegebenen Bauelements. Im Filter TPF sind Kapazitäten (gezielt) ausgebildet zwischen den übereinander angeordneten Teilen der folgenden leitenden Flächen: 113 und 123, 124 und 111, 111 und 121, 121 und 112, 112 und 122. Durch die Flächen 113, 123, 124, 111 und die Durchkontaktierungen 109, 110 ist in Fig. 1 eine T- Anordnung mit zwei Serienschwingkreisen in den Serienzweigen und einer gegen Masse geschalteten Kapazität realisiert.
Auch die leitenden Flächen 121 und 122 sind mittels einer Durchkontaktierung leitend miteinander verbunden. Die Flächen 121, 112 und 122 bilden eine Vielschicht-Kapazität, wobei die Flächen 121 und 122 der ersten Elektrode und die Fläche 112 der zweiten Elektrode dieser Vielschicht-Kapazität zugeordnet sind.
Im Bereich der Wärmesenke sind Signalleiter 101, 102, 103 angeordnet, wobei die horizontal verlaufenden Signalleiter 101 und 102 jeweils in einer eigenen Metallisierungsebene angeordnet sind. Der vertikal verlaufende Signalleiter 103 ist als eine Durchkontaktierung ausgebildet. In der Figur 3A ist angedeutet, dass ein Signalleiter 101, 103 sowohl einen horizontal verlaufenden Abschnitt 101 als auch einen vertikal verlaufenden Abschnitt 103 aufweisen kann. Beide Abschnitte 101, 103 sind in Figur 3A zwischen den Durchkontaktierungen 105, 106, 108, 109 der Wärmesenke angeordnet.
In der Variante gemäß der Figur 1 bildet der Signalleiter 101 zusammen mit den Masseflächen 111 und 112 und der Signalleiter 102 zusammen mit den Masseflächen 113 und 114 jeweils eine Triplate-Leitung. Die Durchkontaktierungen 107 und 105 sind neben ihrer Funktion als Wärmesenke zur Abschirmung der Signalleiter 101 und 102 von den Seiten vorgesehen. Die Durchkontaktierungen 105, 106 sind um den vertikal verlaufenden Signalleiter 103 angeordnet, siehe auch die Figur 3A.
Der Abstand zwischen den nebeneinander stehenden Durchkontaktierungen einer Wärmesenke ist vorzugsweise gleich. Der Durchmesser der als Wärmesenke vorgesehenen Durchkontaktierungen ist vorzugsweise größer als der der herkömmlichen, auch im Substrat 1 angeordneten elektrischen Durchkontaktierungen, z. B. der Durchkontaktierung 110.
Die Schichtdicke der im Substrat 1 enthaltenen Keramikschichten ist vorzugsweise gleich. Möglich sind aber auch unterschiedliche Schichtdicken der aufeinander folgenden Keramikschichten.
In Figur 2 ist schematisch eine Anordnung von Durchkontaktierungen 105, 106, 108, 109 gezeigt, die zusammen eine Wärmesenke bilden und an eine Massefläche 112 angeschlossen sind. In der Massefläche 112 ist eine Aussparung 119 zur Durchfüh-- rung eines vertikal verlaufenden Abschnitts 103 des Signal - leiters 101, 103 vorgesehen.
In Figur 3B ist eine Koplanarleitung gezeigt, die zwei in einer Ebene angeordnete Masseflächen 112, 113 und einen zwischen diesen angeordneten, horizontal verlaufenden Signalleiter 101 umfasst. An die Masseflächen 112, 113 sind die Durchkontaktierungen 108 der Wärmesenke angeschlossen.
Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Bereichs der Wärmesenke gemäß Figur 1. Die Masseflächen 113, 114 dienen jeweils als lokale Masse und als „heat spreader" . Die Durchkontaktierungen 103 sind mittels der Durchkontaktierung 106 voneinander abgeschirmt. Der Signalleiter 102 ist durch die Durchkontaktierungen 108 abgeschirmt.
In Figuren 6 und 7 ist ein vorteilhaftes im Substrat 1 integriertes LC-Filter erläutert. Dieses Filter ist vorzugsweise im Bauelement gemäß Figur 1 integriert.
Die Masseflächen 113, 111 und 112 sind übereinander angeordnet und mittels der Durchkontaktierung 109 alle an Masse angeschlossen. Die Masseflächen bilden eine erste Elektrode einer Vielschicht-Kapazität. Zur Bildung dieser Vielschicht- Kapazität sind außerdem leitend miteinander verbundene leitende Flächen 121 und 122 vorgesehen, die den Flächen 111 und 112 bzw. 111 und 113 gegenüber stehen. Die Flächen 121, 122 bilden eine zweite Elektrode der Vielschicht-Kapazität.
Zwischen den äußeren Masseflächen 112, 113 ist mittels einer Leiterbahn 131 eine Induktivität realisiert. Der Abstand zwischen den Kondensatorplatten, d. h. den leitenden Flächen 113 und 122, 122 und 111, 111 und 121, bzw. 121 und 112 beträgt hCi, hC2r hC3 bzw. hC4. Der Abstand zwischen der Leiterbahn 131 und der leitenden Fläche 112 bzw. zwischen der Leiterbahn 131 und der leitenden Fläche 113 beträgt hLi bzw. hL2. Da die Leiterbahn 131 in derselben Ebene angeordnet ist wie die mittlere Massefläche 111 und der Abstand zwischen den Metallisierungsebenen äquidistant ist, ist der Abstand hLi bzw. hL2 doppelt so groß wie der Abstand hCi - hC4 zwischen den Kondensatorplatten. Somit ist die zwischen den Masseflächen und der Leiterbahn 131 gebildete Streukapazität vergleichsweise gering eingestellt .
Die Leiterbahn 131 kann spiral- oder mäanderförmig gefaltet sein. Es können in einer Ebene mehrere solche Leiterbahnen vorgesehen sein. Mittels nebeneinander angeordneten Leiterbahnabschnitten, die verschiedenen Induktivitäten zugeordnet sind, kann eine Transformatorkopplung dieser Induktivitäten realisiert werden.
Die Durchkontaktierungen 108, 109 sind in Fig. 6 wie in Fig. 1 vorzugsweise der Wärmesenke zugeordnet .
In Figur 7 ist die perspektivische Ansicht eines beispielhaften LC-Filters gezeigt. In der obersten (ersten) und der untersten (zehnten) Metallisierungsebene sind Masseflächen 712 bzw. 713 angeordnet, die mittels der Durchkontaktierung 708 leitend miteinander verbunden sind. Die Durchkontaktierung 708 ist dabei vorzugsweise als Wärmesenke vorgesehen. An die Massefläche 712 ist eine weitere Massefläche 722 angeschlossen, die (von oben gesehen) in der dritten Metallisierungsebene angeordnet ist. An die Massefläche 713 ist eine weitere Massefläche 728 angeschlossen, die in der achten Metallisierungsebene angeordnet ist .
Die übereinander angeordneten leitenden Flächen 728, 726 und 724 sind leitend verbunden. Auch die leitenden Flächen 725 und 721 sind leitend verbunden. Die Flächen 713, 728, 727 und 726 bilden eine gegen Masse geschaltete Vielschicht-Kapazität. Dies gilt auch für die Flächen 722, 721 und 712. Die Flächen 726, 725 und 724 bilden eine im Serienzweig, d. h. zwischen dem Eingang IN und dem Ausgang OUT des Filters geschaltete Vielschicht-Kapazität.
Eine Induktivität Ll, L13 ist durch einen Leiterbahnabschnitt Ll und einen Teil der an diesen angeschlossenen Durchkontak- tierung 703 gebildet. Eine weitere Induktivität L3 , L13 ist durch einen Leiterbahnabschnitt L3 und einen Teil der Durch- kontaktierung 703 gebildet. Des weiteren ist in der sechsten Metallisierungsebene ein Leiterbahnabschnitt L2 ausgebildet, der die Durchkontaktierungen 703 und 708 verbindet und zusammen mit diesen eine Induktivität gegen Masse bildet.
In der Figur 7 ist zu sehen, dass die Kondensatorplatten einer Kapazität, siehe z. B. die Flächen 722, 721, in den aufeinander folgenden Metallisierungsebenen angeordnet sind, so dass der Abstand hei zwischen diesen Flächen gleich der Dicke der dielektrischen Schicht ist. Dagegen sind zwischen dem zur Bildung einer Induktivität vorgesehenen, in der vierten Ebene von oben angeordneten Leitungsabschnitt Ll und der ihr gegenüber liegenden Massefläche 712 zwei Metallisierungsebenen angeordnet, so dass der Abstand hLi zwischen dem Leitungsabschnitt Ll und der Fläche 712 gleich der dreifachen Dicke der dielektrischen Schicht bzw. dem dreifachen Abstand hei ist, falls alle Metallisierungsebenen äquidistant angeordnet sind. Der Abstand hL3 zwischen dem Leitungsabschnitt L3 und der unteren Massefläche 713 ist gleich der doppelten Dicke der dielektrischen Schicht. Somit ist die zwischen dem Leitungsabschnitt Ll und der Fläche 712 bzw. die zwischen dem Leitungs- abschnitt L3 und der Fläche 713 gebildete Streukapazität sehr gering .
Die Schaltung gemäß Figur 8 ist für ein Dualband-Gerät mit einem ersten Band (4,9-5,85 GHz) und einem zweiten Band (2,4- 2,5 GHz) ausgelegt. Sende- und Empfangspfade der beiden Bän- . der werden mittels der Antennenschaltung wie' folgt mit den . Antennenanschlüssen ANTl, ANT2 verschaltet: 1) ANTl mit dem Pfad RX12 und ANT2 mit dem Pfad TXl2 , oder 2) ANT2 mit dem Pfad RX12 und ANTl mit dem Pfad TX12. Zwischen diesen beiden Zuständen kann umgeschaltet werden (Antennendiversität) .
Bei Datenübertragung im ersten bzw. zweiten Band wird die Antenne ANTl bzw. ANT2 mittels des Antennenschalters SW mit einem gemeinsamen Empfangspfad RX12 bzw. Sendepfad TX12 leitend verbunden. In den gemeinsamen Pfaden RX12, TX12 ist jeweils ein Diplexer DI angeordnet. Die Diplexer DI sind zur Trennung der Sendesignale (bzw. Empfangssignale) der beiden Frequenzbänder vorgesehen. Jeder Diplexer DI umfasst einen Tiefpass und einen Hochpass und ist vorzugsweise komplett im Substrat 1 integriert . Die Anordnung von Diplexern auf dem Substrat kommt ggf . auch in Betracht .
Die Empfangssignale (bzw. die Sendesignale) des ersten Bandes werden mittels des entsprechenden Hochpasses in den ersten Empfangspfad RXl (bzw. ersten Sendepfad TXl) geleitet. Die Empfangssignale (bzw. die Sendesignale) des zweiten Bandes werden mittels des entsprechenden Tiefpasses in den zweiten Empfangspfad RX2 (bzw. zweiten Sendepfad TX2) geleitet. Die Auswahl eines Pfades RXl, RX2 , TXl, TX2 erfolgt also mittels des Antennenschalters SW und der hier als Diplexer ausgeführten Frequenzweiche.
Im angegebenen Bauelement kann, muss aber nicht ein Rieht- koppler KO vorgesehen sein. Der Richtkoppler ist zwischen dem Antennenschalter SW und dem im Pfad TX12 angeordneten Diplexer DI angeordnet. Mittels des Richtkopplers KO wird ein Teil des Sendesignals an einen HF-Leistungsdetektor DD zur Überwachung der Sendeleistung ausgekoppelt, der eine Detektordiode oder mehrere solche miteinander verschaltete Dioden umfasst .
In jedem Pfad TXl, TX2 , RXl, RX2 sind hintereinander ein Bandpass BPFl, BPF2 , BPF3 bzw. BPF4 , ein Verstärker PA bzw. LNA und ein Balun BALI bzw. BAL2 angeordnet. Die ggf. ein Filter umfassenden oder in einem Filter realisierten Baluns dienen jeweils zur Symmetrisierung des i. d. R. single-ended ausgebildeten Ein- und Ausgangstores der Verstärker LNA, PA, in einer Variante zur Anpassung der Verstärkeranschlüsse an die Schnittstelle des WLAN-Transceivers .
Die in den Empfangspfaden angeordneten Bandpässe BPF3 , BPF4 ermöglichen die Unterdrückung von GSM-, PCS- und DCS-Signa- len. In den Sendepfaden TXl, TX2 werden die höheren Harmonischen durch die in diesen Pfaden angeordneten Tiefpassfilter unterdrückt. Diese Tiefpassfilter und Hochpassfilter zur Unterdrückung der Signale von Lokaloszillatoren sind in der Figur 8 nicht gezeigt .
Die in Figur 8 gezeigte Schaltung umfasst einen Schaltkreis, der die folgenden Funktionsblöcke aufweist: einen Frequenzweichen-Block FW, einen Filterblock FIL, einen Verstärkerblock AMP und einen Übertrager-Block BAL. In der in Figur 9 gezeigten Variante ist der Frequenzweichen-Block FW und der Filterblock FIL als ein Funktionsblock - der LC-Filterblock - realisiert, der außerdem den Richtkoppler KO umfasst . Die Funktionsblöcke sind im Substrat 1 realisiert. In der Variante gemäß Fig. 9 ist jedem Funktionsblock 1) FW, FIL, KO, 2) AMP und 3) BAL und ein eigener Bereich des Substrats 1 zugeordnet .
Der Frequenzweichen-Block FW umfasst die beiden Diplexer DI und/oder den Richtkoppler KO und die mit diesem verbundene elektrische Last. Dieser Block kann auch in der Figur 8 nicht gezeigte Filter umfassen, die im gemeinsamen Sendepfad TX12 und/oder gemeinsamen Empfangspfad RX12 angeordnet sind.
Der Filterblock FIL umfasst die im Substrat 1 realisierten Bandpässe BPFl - BPF4 und/oder die elektrischen Verbindungen, die zu den auf dem Substrat 1 angeordneten Bandpässen BPE1I - BPF4 führen. Der Verstärkerblock AMP umfasst die Wärmesenke 103 - 109 und die HF- bzw. DC-Verbindungen, die zu den Verstärker-Chips PA, LNA führen. Der Übertrager-Block BAL umfasst die Baluns BALI, BAL2 und/oder die elektrischen Verbindungen, die zu den auf dem Substrat 1 angeordneten Baluns BALI, BAL2 führen.
Die Chips SW, PA, LNA, DD, Xl, X2 sind auf der Substrat- Oberseite angeordnet. Die Kontaktflächen PADl sind zur elektrischen Verbindung mit den Chips Xl, die Kontaktflächen PAD2, 21 zur Verbindung mit dem Chip PA, 2 und die Kontaktfläche DET zur Verbindung mit dem Chip DD vorgesehen.
Im Chip SW ist zumindest ein Halbleiterschalter - Antennen- schalter - integriert. Möglich ist aber auch, verschiedene Schalter in einem gemeinsamen Chip anzuordnen. Im Chip PA ist zumindest ein Leistungsverstärker integriert. Es ist möglich, die in verschiedenen Sendepfaden TXl, TX2 angeordneten Leistungsverstärker in jeweils einem separaten Chip auszubilden. Möglich ist aber auch, die in verschiedenen Sendepfaden angeordneten Leistungsverstärker wie in Figur 9 in einem gemeinsamen Chip anzuordnen. Das hier Gesagte gilt auch für den Chip LNA mit den in Empfangspfaden RXl, RX2 angeordneten rauscharmen Verstärkern. • • . -
Im- Chip DD ist ein Leistungsdetektor, z ; B. mindestens eine PIN-Diode realisiert. In den Chips Xl sind Komponenten wie z. B. Spulen oder Bandpassfilter BPFl - BPF4 realisiert, die im ersten Sende- und/oder Empfangspfad TXl, RXl angeordnet sind. In den Chips X2 sind dann Komponenten realisiert, die im zweiten Sende- und/oder Empfangspfad TX2 , RX2 angeordnet sind. Die Bandpassfilter BPFl - BPF4 können alternativ im Substrat 1 integrierte LC-Filter sein.
Die Chips PA, SW und LNA sind in der in Figur 9 gezeigten Variante als Bare-Dies, die Chips Xl, X2 als SMD-Chips und der Chip DD als ein gehäuster Chip verfügbar. Der Chip DD kann z. B. in Flip-Chip-Technik oder mittels einer SMD-Montage auf den Kontaktflächen DET des Substrats 1 montiert werden.
Die Ausführung der Komponenten des im Schaltbild gemäß Figur 8 gezeigten Schaltkreises ist nicht auf die Variante gemäß Figur 9 beschränkt. Es versteht sich, dass beliebige Komponenten dieses Schaltkreises in beliebigen Chiparten - z. B. Bare-Dies, gehäusten Chips, SMD-Chips - realisiert sein können. In einer Variante ist es möglich, auf zumindest eine Funktionalität bzw. den damit verbundenen Baublock des in Figuren 8 und 9 vorgestellten Moduls zu verzichten. Vorzugswei- se sind alle passiven Funktionsblöcke des Moduls im Substrat integriert. Insbesondere sind Anpassnetzwerke jeder Art zur Anpassung der Impedanz des jeweiligen Funktionsblocks des Bauelements, insbesondere zur Anpassung der Ein- und Ausgangsimpedanz eines Signalpfads, im Substrat integrierbar.
Bezugszeichenliste
1 Substrat
101, 102 als Leiterbahnen ausgeführte Signalleiter
103, 104 Durchkontaktierung
105, 106 Durchkontaktierungen der Wärmesenke, die den
Signalleiter 103 umgeben bzw. abschirmen 107, .108 Durchkontaktierungen der Wärmesenke
109 Durchkontaktierung der Wärmesenke, die einen Teil eines im Substrat 1 integrierten LC-Pilters bildet 111, 112, 113, 114 leitende Flächen 119 Aussparung der leitenden Fläche 112 121, 122 erste Leiterbahn 123, 124 leitende Flächen 131 zweite Leiterbahn
2 Verstärkerelement
21 wärmeleitende Schicht
201, 202 Bonddrähte
703 als Durchkontaktierung realisierte Induktivität Ll
708 als Durchkontaktierung realisierte Induktivität L4
712, 713 Masseflächen
721, 722, 723, 724, 725, 726, 727, 728 leitende Flächen zur
Bildung von Kapazitäten AMP Verstärker-Sektion des Moduls ANTl, ANT2 erste und zweite Antenne BAL Übertrager-Sektion des Moduls BALI , BAL2 Baluns
BPFl, BPF2, BPF3, BPF4 Pandpassfilter DD Detektordiode
DET Kontaktfläche zum Anschließen der Detektordiode DD DI Diplexer FIL Filter-Sektion des Moduls PW Frequenzweiche hei - hC4 Abstand zwischen den leitenden Flächen, die im
LC-Filter eine Kapazität realisieren h.Li, hi,2 Abstand zwischen der zweiten Leiterbahn 131, die im
LC-Filter eine Induktivität realisiert, und den leitenden Flächen 112, 113 IN Eingang des LC-Filters KO Richtkoppler
Ll, L2, L3, L4 Induktivitäten ..
LNA rauscharme Verstärker OUT Ausgang des LC-Filters PA Leistungsverstärker
PADl Kontaktflächen für SMD-Bauelemente Xl PAD2 Kontaktflächen an der Oberseite des Substrats 1 PAD3 elektrische Anschlüsse an der Unterseite des Substrats RX12 gemeinsamer Empfangspfad RXl, RX2 erster bzw. zweiter Empfangspfad SW Umschalter TPF Tiefpassfilter TX12 gemeinsamer Sendepfad TXl, TX2 erster bzw. zweiter Sendepfad Xl, X2 SMD-Bauelemente

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Bauelement mit einem Substrat (1) , das mindestens einen elektrischen Schaltkreis umfasst, in dem eine durch das Substrat hindurch geführte Wärmesenke (103-109) integriert ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, wobei der elektrische Schaltkreis ein LC-Filter ist.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2 , wobei die Wärmesenke (103, 104) zur Signaldurchführung dient.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wärmesenke (105, 107, 108) an eine im Substrat (1) verborgene leitende Fläche (111, 112, 113) angeschlossen ist.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat (1) Metallisierungsebenen umfasst, wobei zwischen jeweils zwei Metallisierungsebenen eine dielektrische Schicht angeordnet ist .
6. Bauelement nach Anspruch 5, wobei die dielektrischen Schichten Keramik enthalten.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die leitende Fläche (111, 112, 113) eine Massefläche ist.
8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis I1 wobei die Wärmesenke (103-109) parallel geführte, an ein e- lektrisches Potential angeschlossene Durchkontaktierungen umfasst .
9. Bauelement nach. Anspruch 8 , wobei die Durchkontaktierungen (108, 109) eine Reihe bilden, wobei der Abstand zwischen jeweils zwei in der Reihe aufeinander folgenden Durchkontaktierungen (108, 109) im Wesentlichen gleich ist.
10» Bauelement nach Anspruch 8 oder 9, ■ wobei zwischen den Durchkontaktierungen der Wärmesenke ein Signalführender Signalleiter (101, 102, 103) angeordnet ist.
11. Bauelement nach Anspruch 10, wobei im Substrat (1) eine elektrische Leitung ausgebildet ist, die den Signalleiter (101, 102, 103) und die als Masseleiter vorgesehene leitende Fläche (111, 112, 113, 114) um- fasst.
1,2. Bauelement nach Anspruch 10 oder 11, wobei zumindest ein Abschnitt (101, 102) des Signalleiters in einer Metallisierungsebene des Substrats (1) verläuft.
13. Bauelement nach Anspruch 12 , wobei die leitende Fläche (111-114) und der Signalleiter (101, 102) in derselben Metallisierungsebene angeordnet sind und einander gegenüber stehen.
14. Bauelement nach Anspruch 12 , wobei die leitende Fläche (111-114) und der Signalleiter (101, 102) in verschiedenen Metallisierungsebenen übereinander angeordnet sind.
15. Bauelement nach Anspruch 14, wobei zwei übereinander angeordnete leitende Flächen (111 , 112) vorgesehen sind, zwischen denen der Signalleiter (101) angeordnet ist.
IS. Bauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei zumindest ein Abschnitt (103) des Signalleiters parallel zu den Durchkontaktierungen (105, 106) der Wärmesenke verläuft und zusammen mit diesen zumindest einen Abschnitt einer elektrischen Leitung bildet.
17. Bauelement nach Anspruch 16, wobei in der leitenden Fläche (112) eine Aussparung (119) zur Durchführung des vertikal verlaufenden Abschnitts (103) des Signalleiters (101, 103) vorgesehen ist.
18. Bauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei die leitende Fläche (111, 112, 113) und/oder der Signalleiter (101, 102, 103) in einem im Substrat (1) realisierten Filter integriert ist.
19. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Wärmesenke (103-109) zur Abfuhr der Wärme von einem Verstärkerelement (2) vorgesehen ist, das auf dem Substrat (1) angeordnet ist.
20. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei auf dem Substrat (1) zumindest eine der folgenden Komponenten realisiert ist: ein Umschalter (SW), ein Sendeverstärker (PA) , ein Empfangsverstärker (LNA) , ein Leistungsdetektor (DD), ein Bandpassfilter (BPFl, BPF2, BPF3 , BPF4) , ein Duplexer, ein Balun (BALI, BAL2) .
21. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei im Substrat (1) zumindest eine der folgenden Komponen- ten realisiert ist: ein Tiefpassfilter, ein Hochpassfilter, ein Diplexer (DI) , ein Bandpassfilter, ein Duplexer, ein Ba- lun (BALI, BAL2) und ein Richtkoppler (KO) .
22. Bauelement nach einem der Ansprüche1 1 bis 21, das als ein Multiband-WLAN-Frontendmodul vorgesehen ist.
23. Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 22, wobei im Substrat (1) weitere Durchkontaktierungen vorgesehen sind, und wobei die Querschnittsgröße der Durchkontaktierungen (103-109) der Wärmesenke größer ist als diejenige der weiteren Durchkontaktierungen .
24. Elektrisches Multiband-Bauelement
- mit einem Substrat, auf dem Verstärkerelemente montiert sind und das einen Verstärkerblock und einen LC-Filterblock umfasst ,
- wobei der Verstärkerblock unterhalb der Verstärkerelemente angeordnet ist und zu diesen führende elektrische Verbindungen umfasst,
- wobei der LC-Filterblock LC-Filter umfasst,
- wobei das Volumen des LC-Filterblocks maximal das Doppelte des Volumens des Verstärkerblocks beträgt .
25. Bauelement nach Anspruch 24,
- wobei mindestens zwei der LC-Filter einer Frequenzweiche zugeordnet sind,
- mit Signalpfaden für Frequenzbänder, in denen weitere der LC-Filter angeordnet sind.
26. Bauelement nach Anspruch 24 oder 25, wobei der LC-Filterblock mindestens einen Balun und/oder einen Richtkoppler umfasst.
27. Bauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei die LC-Filter balancierte Filter umfassen.
28. Bauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei die LC-Filter mindestens ein Filter umfassen, ausgewählt aus einem Tiefpass, einem Hochpass und einem Bandpass.
29. Bauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 28, wobei der Verstärkerblock eine Wärmesenke, HF-Signalleitungen und/oder Leitungen zur Stromversorgung der Verstärkerelemente umfasst .
30. Bauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 29,
- mit mindestens einem Schalter, der auf dem Substrat montiert ist,
- wobei der LC-Filterblock HF-Signalleitungen und/oder Leitungen zur Stromversorgung des Schalters umfasst.
31. Bauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 30, wobei das Volumen des LC-Filterblocks maximal so groß ist wie das Volumens des Verstärkerblocks .
32. Elektrisches Bauelement
- mit in parallelen Ebenen übereinander angeordneten äußeren leitenden Flächen (112, 113), zwischen denen eine mittlere leitende Fläche (111) und eine zweite Leiterbahn (131) angeordnet ist,
- wobei zwischen der mittleren leitenden Fläche (111) und einer der äußeren leitenden Flächen (112, 113) eine erste Leiterbahn (121, 122) angeordnet ist,
- wobei der Abstand (hLχ, hL2) zwischen der zweiten Leiterbahn (131) zu den äußeren leitenden Flächen (112, 113) größer ist als der Abstand (hc_., hC2) zwischen der ersten Leiterbahn (121; 122) und den ihr gegenüberstehenden leitenden Flächen., (111, 112; 112f 113) .
33. Bauelement nach Anspruch 32, wobei die äußeren leitenden Flächen (112, 113) mit der mittleren leitenden Fläche (111) leitend verbunden sind.
34. Bauelement nach Anspruch 32 oder 33, wobei die äußeren leitenden Flächen (112, 113) und die mittlere leitende Fläche (111) an Masse angeschlossen sind.
35. Bauelement nach einem der Ansprüche 32 bis 34, wobei die erste Leiterbahn (121, 122) eine leitende Fläche bildet.
36. Bauelement nach einem der Ansprüche 32 bis 35, wobei die zweite Leiterbahn (131) ein langgestreckter oder gefalteter elektrischer Leiter ist.
37. Bauelement nach einem der Ansprüche 32 bis 36, in dem ein LC-Filter realisiert ist, wobei einerseits zwischen der ersten Leiterbahn (131) und der äußeren leitenden Fläche (112, 113) und andererseits zwischen der ersten Leiterbahn (121, 122) und der mittleren leitenden Fläche (111) eine erste und zweite Kapazität des Filters gebildet ist, und wobei die zweite Leiterbahn (131) eine Induktivität des Filters realisiert.
38. Bauelement nach Anspruch 37, mit einer Wärmesenke (109) nach einem der Ansprüche 1 bis 28, die im LC-Filter integriert ist.
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