WO2007062970A1

WO2007062970A1 - Moduleinheit für eine radar-antennenanordnung mit integriertem hf-chip

Info

Publication number: WO2007062970A1
Application number: PCT/EP2006/068271
Authority: WO
Inventors: Ewald Schmidt; Hans Irion; Juergen Hasch; Hans-Oliver Ruoss
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2007-06-07
Also published as: US20090243948A1; DE102006009012A1; EP1958000A1

Abstract

Die offenbarte Moduleinheit für eine Radar-Antennenanordnung mit einem integrierten HF-Chip (100) mit wenigstens einem eine Mikrowellenstruktur aufweisendes Antennenelement, mit einem im Strahlengang der Radar-Antennenanordnung vor dem wenigstens einen Antennenelement angeordneten Fokussierelement (200), mittels dessen eine verstärkte Ausleuchtung des HF-Chips (100) erreicht wird, weist insbesondere eine Anbauvorrichtung (115, 120) auf, mittels der Fokussierelemente (200) unterschiedlicher Antennencharakteristik an die Moduleinheit angebaut werden können. Die Anbauvorrichtung ist bevorzugt durch Befestigungsmittel wie Klemmvorrichtungen (120), Steckvorrichtungen oder dergleichen gebildet. Zusätzlich können Positionsvorrichtungen (115) angeordnet sein, mittels derer das Fokussierelement (200) mit der erforderlichen Präzision an die Moduleinheit angebaut werden kann.

Description

Moduleinheit für eine Radar-Antennenanordnung mit integriertem HF-Chip

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Moduleinheit und ein Fokussierelement für eine Radar-

Antennenanordnung sowie eine entsprechende Radar-Antennenanordnung gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Moduleinheit nach dem Oberbegriff des zugehörigen unabhängigen Anspruchs.

Eine Radar- Antennenanordnung mit einem HF-Chip geht aus der EP 1 121 726 Bl hervor. Der HF-Chip weist Sende-/Empfangselemente in Form einer an sich bekannten Mikrowellenstruktur auf. Die Anordnung umfasst ferner ein sogenanntes „Polyrod", d.h. einen im Strahlengang der Antennenanordnung vor jedem Antennenelement angeordneten dielektrischen Abstrahl- bzw. Vorfokussierkörper (Fokussierelement), z.B. einen Stielstrahler, mittels dessen eine bessere Ausleuchtung einer dielektrischen Linse (Resonator) und somit eine Vorfokussierung des Radarstrahls erreicht wird.

Eine einwandfreie Funktion eines solchen Fokussierelementes ist nur dann gewährleistet, wenn dieses in Bezug auf den HF-Chip exakt positioniert ist, denn selbst geringe

Abweichungen von der idealen Einbauposition bewirken eine Überstrahlung der Linse, einen Fehlwinkel der abgestrahlten Welle oder eine erhöhte elektromagnetische Kopplung zwischen benachbarten Polyrods bei Mehrstrahlsystemen. Bei der dort beschriebenen Radar- Antennenanordnung ist der Abstand zwischen der Oberfläche der Mikrowellenleiterstruktur und der Unterseite des Polyrods mittels eines Abstandhalters in einem Bereich zwischen 0 und 0,2 mm frei einstellbar. Es ist ferner bekannt, den HF-Chip mit integrierter Antenne wie ein übliches SMT- Leiterplattenbauelement auf ein Stangitter aufzubringen, den Chip über Bonddrähte mit den Anschlüssen zu kontaktieren und den so aufgebrachten Chip anschließend mittels einer Vergussmasse einzubetten. Die genannte SMT (Surface Mount Technology) Technik ermöglicht bekanntermaßen eine direkte Lötbefestigung von Bauelementen auf einer bedruckten Leiterplatte (PCB). Bei diesem Bauteil ist allerdings kein Stielstrahler mit einem Resonator vorhanden.

Es ist wünschenswert, eine Moduleinheit bereitzustellen, in welche ein vorbeschriebener HF-Chip integriert werden kann, wobei die eingangs genannten hohen Anforderungen an die Positionsgenauigkeit erfüllt sind. Gleichzeitig soll eine möglichst einfache Montage in beispielsweise der genannten SMT -Technik oder der ebenfalls dem Fachmann an sich geläufigen Lochkontakttechnik auf einer kostengünstigen bedruckten Leiterplatte ermöglicht werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Moduleinheit umfasst eine Einbauvorrichtung oder -schnittsteile, mittels der Fokussierelemente unterschiedlicher Antennen- oder Abstrahlcharakteristik einfach an die Moduleinheit angebracht, bspw. auf die Moduleinheit aufgeclipst oder aufgesteckt, werden können. Dies hat den Vorteil, dass erst relativ spät in der Montagelinie die jeweilige Anwendung einer solchen Radar- Antennenanordnung festgelegt werden kann, d.h. mit welchem Fokussierelement die Moduleinheit für die jeweilige Radar- Antennenanwendung zu bestücken ist.

Die genannte Einbauvorrichtung umfasst wiederum Positions- und Clipvorrichtungen, mittels derer bspw. ein als Stielstrahler ausgebildetes Fokussierelement mit einem Fokussierelement beliebiger Strahlcharakteristik, welcher zur Moduleinheit passende Positions- und Clipelemente aufweist, angebaut werden kann.

Erfindungsgemäß wird somit im Ergebnis eine Radar- Antennenanordnung mit einer universell und mit einem oder mehreren Strahlern unterschiedlicher Strahlcharakteristik bestückbare Moduleinheit vorgeschlagen, welche mittels einfacher und kostengünstiger Leiterplattenmontage herstellbar ist, und zwar ähnlich wie bei den eingangs beschriebenen SMT-Bauelementen.

Der HF-Chip mit integriertem Antennenpatch weist bevorzugt Kontaktflächen für Flip-

Chip-Bumps auf, mittels derer der HF-Chip sehr einfach auf die Moduleinheit montiert werden kann. Die Flip-Chip-Bumps können dabei entweder auf dem Chip oder auf dem Chip-Montage-Leiterelement aufgebracht sein.

Gemäß einem ersten bevorzugten Lösungsansatz wird die Moduleinheit aus einem 2-1/2-

MID-SMT-Kunststoffteil mit „eingefliptem" HF-Chip unter Verwendung einer Wärmesenke und einer Vergussmasse hergestellt. Eine alternative Herstellungsmethode der erfmdungsgemäßen Moduleinheit stellt die an sich bekannte Flip-Chip-Technik des HF-Chips auf einer flexiblen Leiterplatte dar. Die den HF-Chip aufweisende Leiterplatte wird dabei in ein entsprechendes Kunststoffteil mit einer ebenen oder nur in einer

Richtung gekrümmten Fläche eingeklebt und kontaktiert. Eine Wärmesenke wird in entsprechend ausgebildete Ausnehmungen des Kunststoffsteils so eingeklebt, dass zur Rückseite des HF-Chip ein Wärmekontakt gebildet wird. Die Moduleinheit wird schließlich durch eine Vergussmasse vervollständigt.

Gemäß einem zweiten bevorzugten Lösungsansatz wird die aus einem HF-Chip und einem Fokussierelement (bevorzugt: Stielstrahler) gebildete Moduleinheit so an einem Träger befestigt, bevorzugt in den Träger eingesteckt, dass die Rückseite des HF-Chips einen Wärmekontakt mit dem Träger bildet. Der Wärmekontakt kann dabei durch eine entsprechende Klebung oder Lötung noch verbessert werden. Der HF-Chip wiederum wird dabei an den entsprechend ausgestalteten Stielstrahler befestigt, und zwar bevorzugt in den Stielstrahler eingeclipst. Auf dem Träger ist gleichzeitig eine kostengünstige NF- Leiterplatte angeordnet, welche in dem genannten Bereich durchbrochen ist. Die notwendige elektrische Kontaktierung von den HF-Chip-Kontakten zur Leiterplatte erfolgt dann mit herkömmlichen NF-Drahtbonds. Dieser Bereich wird dann so vergossen, dass der zunächst vorhandene Freiraum wg. des gewünschten Abstandes zwischen HF- Chip und dem Resonator auf dem Stielstrahler gefüllt wird. Hier hat man kein SMT- Bauelement und die Strahlcharakteristik ist von vornherein durch den Stielstrahler festgelegt. Die elektrischen Kontakte des HF-Chips werden bei dieser Vorgehensweise vom Fokussierelement (bevorzugt: Stielstrahler) nicht überdeckt und es entstehen auch keine galvanischen Verbindungen zwischen dem HF-Chip und dem Stielstrahler.

Gemäß einem dritten bevorzugten Lösungsansatz wird der unbehandelte HF-Chip an einem Träger mit Podest positioniert befestigt, bevorzugt an den Träger angeklebt oder auf diesen gelötet. Der Träger dient dabei ebenfalls als Wärmesenke. Der Stielstrahler mit Resonator wird danach über den HF-Chip in den Träger positioniert so eingesteckt, dass der Stielstrahler sich mit seinen Distanzhaltern auf Massepads des HF-Chips abstützen.

Der Chip wird mit herkömmlichen Drahtbonds mit der Leiterplatte kontaktiert und dann vergossen. Die Kontaktierung kann vor oder nach der Montage des Stielstrahlers erfolgen. Hier liegt kein HF-Modul vor, sondern eine HF-Einheit wird mit Standardtechnologien innerhalb einer Elektronikschaltung gebildet.

Eine erfindungsgemäße Moduleinheit kann in einem bevorzugten Frequenzbereich von ca. 70 - 140 GHz betrieben werden.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend, unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, anhand von Ausführungsbeispielen eingehender beschrieben, aus denen weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervorgehen. In der Zeichnung sind identische oder funktionell gleiche Merkmale mit identischen Bezugszeichen referenziert.

In der Zeichnung zeigen im Einzelnen

Fig. 1 a eine schräge Draufsicht von oben auf eine bereits gefertigte erfindungsgemäße Moduleinheit;

Fig. Ib eine Schnittansicht der in der Fig. Ia gezeigten Moduleinheit; Fig. 2a, b ebenfalls schräge Draufsichten auf eine erfmdungsgemäße Moduleinheit vor (a) der erfϊndungsgemäßen Fertigung und Montage, und zwar in einer Explosionsdarstellung, und nach (b) dem erfϊndungsgemäßen Zusammenbau einschließlich eines montierten Stielstrahlers (Fokussierelement);

Fig. 3a - c ebenfalls schräge Draufsichten auf eine erfmdungsgemäße

Moduleinheit mit drei unterschiedlichen Stielstrahlern (a - c) vor (oben) und nach (unten) deren Einbau in die Moduleinheit;

Fig. 4 eine schräge Ansicht von unten auf ein zweites Ausführungsbeispiel (siehe genannter zweiter bevorzugter Lösungsansatz) eines erfϊndungsgemäßen Fokussierelementes mit Positionierstützen und Clipvorrichtungen für den Einbau eines HF-Chips;

Fig. 5a - c drei verschiedene Ansichten eines erfϊndungsgemäßen Fokussierelementes gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (siehe genannter zweiter bevorzugter Lösungsansatz) mit eingelegtem HF-Chip von oben (a), mit eingelegtem HF- Chip und Klebeschicht von unten (b) und eines in ein erfϊndungsgemäßes Trägerteil mit Podest montiertes und bereits elektrisch kontaktiertes Fokussierelement von oben (c);

Fig. 6a, bzwei Schnittansichten (a, b) eines fertig montierten und bereits vergossenen

Fokussierelementes gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (siehe genannter zweiter bevorzugter Lösungsansatz); und

Fig. 7a, bein Ausführungsbeispiel des erfϊndungsgemäßen Fokussierelementes gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel (siehe genannter dritter bevorzugter Lösungsansatz) mit einem auf Folie gedruckten und einzuklebendem Resonator (a) und mit einem direkt auf das Fokussierelement gedruckten Resonator (b). Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die vorliegend für Leiterplattentechnik gefertigte, in den Figuren Ia und Ib sowie 2a und 2b in verschiedenen Ansichten dargestellte Moduleinheit umfasst einen Hochfrequenz- (HF-)Chip 100 mit in der Darstellung nicht sichtbarem, integriertem Antennenpatch und mit in der Schnittzeichnung Fig. Ib teilweise sichtbaren Flip-Chip-Bumps 160 sowie mit einer aus einem Metallstanzteil gebildeten Wärmesenke 105.

Der HF-Chip 100 und eine Wärmesenke 105 sind auf einem Grundkörper (im Folgenden „Trägerteil") 110 angeordnet, welcher aus einem aus PEI (= Polyeterimide) gefertigten

Kunstoffspritzgussteil hergestellt ist und welcher definierte Positionsvorrichtungen 115 und Clipvorrichtungen 120 für ein hier nicht gezeigtes Fokussierelement (in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Stielstrahler - siehe Bezugszeichen ,200' in den Figuren 2a und 2b) aufweist.

Die Positions- 115 und Clipvorrichtungen 120 sind mechanisch mit den eingebrachten Kontaktpins 125 mit den aus mittels 2-1/2-Mold Injected Devices(=MID) hergestellten Leiterstrukturen 130 verbunden. Sämtliche Funktionselemente sind flächen- und raumsparend ineinander verschachtelt angeordnet. Der in der Fig. 2 gezeigte Stielstrahler weist insbesondere ein aus einem dielektrischen Material hergestellten Fokussierelement

200 vorgegebener Strahlcharakteristik mit zum Grundkörper 110 passenden Positionsvorrichtungen 205 und Clipvorrichtungen 210 auf. Das Fokussierelement 200 besteht aus einem kegelförmigen Abstrahlelement 215 mit einem zum HF-Chip 100 hin angeordneten „Strahlerfuß" 217. Das Abstrahlelement 215 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel federnd an zwei mittig zulaufenden Doppelstegen 220 angeordnet.

In der Fig. 2a ist ferner der im Strahlerfuss angeordnete Gusskanal 225 für den Verguss im Vakuum zu sehen.

Der HF-Chip 100 mit in an sich bekannter Weise bereits integriertem Antennenpatch und den genannten Flip-Chip-Bumps wird zunächst in das Trägerteil 110 der Moduleinheit eingebaut („eingeflipt") und ist daher in der Fig. 1 a nicht sichtbar. Die Flip-Chip- Technik besitzt an sich bereits die notwendige gute Positionstoleranz. Neben dem berührungslosen HF-Patch-Resonatorübergang sind auch alle Niederfrequenz-(NF- )Kontakte zu den Kontaktpins 125 des HF-Chips 100 bereits fertig hergestellt. Dabei wird auf der Ebene des Leiters des Trägerteils 110, und zwar oberhalb des Antennenpatches des HF-Chips, ein entsprechendes Resonatorpatch gleich mit gefertigt, und zwar ohne Zusatzkosten.

Eine der Berührungsflächen zwischen der Wärmesenke 105 oder der Rückseite des HF-

Chips 100 wird entweder mit Lotpaste oder Klebstoff beschichtet, z.B. unter Anwendung der an sich bekannten Dispensstempeldrucktechnik. In das mit entsprechenden Ausnehmungen und dem HF-Chip 100 versehene Trägerteil 110 wird die Wärmesenke 105 eingelegt und mit der Rückseite des HF-Chips 100 verklebt oder verlötet.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Fokussierelement 200 derart am Trägerteil 110 befestigt, dass die beispielsweise in der Fig. 2b dargestellte Clipverbindung mittels der Clipvorrichtungen 210 hinsichtlich ihrer x,y- Positioniergenauigkeit dadurch verbessert ist, dass die Clipvorrichtungen 210 aus einem an beweglichen Federn 220 angeordneten Funktionsteil bestehen.

Die jetzt vorliegende Baueinheit (Fig. Ia) wird anschließend mit der Vergussmasse 135 von der Rückseite möglichst lunkerfrei vergossen, bevorzugt unter den bereits genannten Vakuumbedingungen. Als Vergussmassen kommen beispielsweise (weiches) Silikongel oder (harter) Epoxyharz in Betracht, da die grundsätzlich bestehende dämpfende Wirkung der Vergussmasse 135 in dem sehr kleinen Spalt von ca. 100 μm zwischen dem HF-Chip 100 und dem Resonator (siehe z.B. Fig. 7a, Bezugszeichen ,700') keinen messbaren Nachteil zeigt.

Die Fig. Ib zeigt übrigens die Moduleinheit zu Vereinfachungszwecken ohne die

Vergussmasse 135 und ohne die Wärmeverbindung zwischen dem HF-Chip 100 und der Wärmesenke 105.

Alternativ kann die Moduleinheit von der Unterseite einer Leiterplatte 800 über entsprechende Durchbrüche in der Leiterplatte 800, und zwar mittels üblicher Pin-Loch-

Verbindungen, eingesteckt und erst danach mit den sonstigen Elektronikbauelementen verlötet werden. Der an einem Kunststoffteil angeordnete Stielstrahler wird in die Positionselemente der Moduleinheit aufgesteckt und „eingeclipst". Schließlich wird in einen Gusstopfund Gusskanal 150 des Trägerteils 110, an dem der Strahlerfuß 217 des Abstrahlelementes 215 im Wesentlichen zentriert angeordnet ist (Fig. 2b), eine weitere (hier nicht gezeigte) Vergussmasse mit definierter Menge eingebracht. Diese weitere Vergussmasse steigt auch im Fuß des Abstrahlelementes an den entsprechenden Kanälen hoch, so dass sich kein Luftspalt zwischen dem Trägerteil 110 und dem Abstrahlelement 215 ausbildet.

Die Strahlcharakteristik des Fokussierelementes 200 ist beliebig vorgebbar. Beispiele für mögliche unterschiedliche Ausgestaltungen des Fokussierelementes 200 bzw. des bevorzugt kegelförmigen Abstrahlelementes 215 sind in den Figuren 3 a - 3 c gezeigt. Die jeweils oberen Teilbilder der Figuren 3a - 3c zeigen die jeweiligen Fokussierelemente 200 vor deren Einbau in das Trägerteil 110 und die jeweils unteren Teilbilder die jeweilige Anordnung der Fokussierelemente 200 nach deren Einbau in das Trägerteil 110. Die Fokussierelemente 200 werden bevorzugt und vorteilhaft nach der Leiterplatten- Montage des Trägerteils 110 an dem Trägerteil 110 mittels der Clipvorrichtungen 210 eingeclipst und im Anschluss daran der Strahlerfuß 217 im Gusstopf 150 vergossen. Alternativ kann der Einbau vor der Leiterplatten-Montage des Trägerteils 110 erfolgen.

Die in den Figuren 3a - 3c gezeigten Ausführungsformen des Fokussierelementes 200 unterscheiden sich im Wesentlichen durch die jeweils unterschiedliche Ausgestaltung des kegelförmigen Abstrahlelementes 215 und des jeweiligen Strahlerfüsses 217. Die Fig. 3a zeigt das Fokussierelement 200 mit jeweils bereits vergossenem Strahlerfuß 217, wohingegen die Figuren 3b und 3c das Fokussierelement 200 jeweils ohne Vergussmasse wiedergeben.

Das in der Fig. 3a gezeigte Fokussierelement 200 entspricht der in den Figuren 2a und 2b gezeigten Ausgestaltung. Bei dem in der Fig. 3b gezeigten Fokussierelement 200 ist der konische Verlauf des kegelförmigen Abstrahlelementes 215 umgekehrt zu dem in der Fig. 3 a gezeigten Verlauf. Wie aus dem unteren Teilbild von Fig. 3b besser zu ersehen, ist das kegelförmige Abstrahlelement 215 längs gestreckt ausgebildet. Aufgrund dieser Bauform des Abstrahlelementes 215 sind die in der Fig. 3a horizontalen Stege zu (senkrechten) Pfosten 220' entartet. Das in der Fig. 3 c gezeigte Ausführungsbeispiel des Fokussierelementes 200 weist ein zur Fig. 3b ähnliches (ebenfalls längs gestrecktes) Abstrahlelement 215 auf, welches allerdings in einer gegenüber der Fig.3b orthogonalen Richtung ebenfalls längs gestreckt ausgebildet ist. Das Abstrahlelement 215 ist zudem an einer sechseckigen Anordnung von Stegen 220" befestigt, welche wiederum über senkrechte Stege 220" in die Clipvorrichtungen 210 übergehen.

In den vorliegenden Ausführungsbeispielen umfasst das Fokussierelement 200 die genannten, zur Oberfläche des HF-Chips 100 hin planparallel nach außen abgehenden Stege 220 bzw. 420. An diesen Stegen 220 befindet sich jeweils der relativ kleine bzw. kurze Pfosten 220 'mit Positionseinrichtungen für die horizontale Ebene. Die Stege 420 sind in der Ausgestaltungsvariante gemäß den Figuren 4 bis 7 als Feder zu einer außerhalb der HF-Chipoberfläche liegenden (nicht gezeigten) Befestigung ausgeführt.

Die Feder ist so dimensioniert, dass Abstandstützen 715 die Unterseite des Fokussierelementes 200 in definiert geringem Abstand, z. B. 150 μm, zu den Patchelementen auf dem HF-Chip 100 abstützen, wobei Längentoleranzketten aufgefangen und ein Abheben durch axiale Schwingungen unterbunden wird. Vorteilhaft ist dabei auch, dass unterhalb der Abstandstützen 715 auf dem HF-Chip 100

Leiterflächen angeordnet sind, die jeweils über Durchkontaktierungen im HF-Chip 100 mit der Masse verbunden sind und somit schädliche elektrostatische Aufladungen verhindern. Diese Masseleiterflächen sind dabei so groß gewählt, dass bei allen Lagetoleranzen des Fokussierelementes 200 die Auflagefläche der Abstandstützen 715 nicht über diese Leiterflächen hinausragen. Die elektrische Kontaktierung des HF-Chips

100 mit außerhalb liegenden NF- und ZF-Schaltungen erfolgt über einfache Bondverbindungen 500, wobei neben den Gleichstrom- Versorgungsspannungen nur niederfrequente Signale übertragen werden und damit die Leiterplatte aus einem kostengünstigen Material wie z.B. „FR4" gefertigt sein kann.

Die Befestigung der Stege 220 des Fokussierelementes 200 erfolgt in den genannten Ausführungsbeispielen jeweils auf demselben Trägerteil 110, auf dem auch der HF-Chip 100 montiert ist. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, in dem das Trägerteil aus PEI hergestellt ist, ist das Trägerteil 110 in dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel (Figuren 4-6 und Figur 7) aus einem gut wärmeleitenden (bevorzugt metallischen) Material hergestellt (wie im ersten Ausführungsbeispiel, zur Bereitstellung einer Wärmesenke), z.B. Zn, Al-, Mg-Druckgussmetall oder Stahl in MIM-Technologie, vorteilhaft mit einem der Chipgröße angepassten Podest 145. Damit wird eine sonst sehr kostspielige Montagepositionierung des HF-Chips 100 auf eine sehr präzise und dennoch preisgünstige Fertigung des Trägerteils 110 verlagert. Der HF-Chip 1 OO wird auf das Podest 145 aufgeklebt oder aufgelötet. Um den HF-Chip 100 auflöten zu können, wird das Trägerteil 110 bevorzugt vorher entsprechend galvanisch behandelt.

Ebenso kostengünstig und passgenau ist eine z- und x/y-Lagepositionierung der

Befestigung für das Fokussierelement 200, da die Fertigung zusammen mit dem Podest 145 auf einer Werkzeugmaschine erfolgen kann. In einem solchen Ausführungsbeispiel erfolgt die Lagepositionierung mittels Bohrungen, welche passgenau für die Stifte der Befestigung hergestellt sind. Die Bohrungen und Stifte können dabei zueinander als Press- oder Spielpassung ausgelegt sein. Im ersten Fall werden die Teile bei der Montage miteinander verpresst, bei der Spielpassung verklebt. Eine hierzu alternative Befestigungsmethode ist die bereits beschriebene Methode unter Verwendung von Clipbefestigungen für das Fokussierelement 200.

Die in den Figuren 7a - 7b gezeigten Fokussierelemente entsprechen

Ausführungsbeispielen der erfmdungsgemäßen Moduleinheit, bei denen der HF-Chip 100 auf das Trägerteil 110 aufgeklebt bzw. aufgelötet wird und dann das Kunststoffteil mit dem Fokussierelement (vorliegend ein Stielstrahler) 200 darüber auf das Trägerteil 110 präzise positioniert und montiert wird, wobei das Podest 145 ähnlich wie in der Fig. 6 zur präzisen Positionierung des HF-Chips 100 dient. Bei einem kostengünstigen Al- oder

Mg-Druckgussteil muss, um eine Genauigkeit von einigen 10 μm zu erreichen, die Befestigungslöcher nach der Druckgussherstellung in x- und y-Richtung am Podestrand nachbearbeitet werden. Um diese Nachbearbeitung allerdings auf ein Minimum zu reduzieren oder sogar gänzlich zu vermeiden, weist das in der Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel des Fokussierelementes 200 neben den im Stand der Technik bekannten Funktionselementen wie bspw. den zur Oberfläche des HF-Chips 100 hin angeordneten Abstandsstiften, Federn, B efestigungs stiften 400, 405 bzw. Clipbefestigungen zusätzlich x-y-Positionierstützen 410, 415 zur Aufnahme des HF- Chips 100 auf, mittels derer das Fokussierelement 200 in Bezug auf die vier Seitenflächen des HF-Chips 100 präzise positioniert werden kann. Die Geometrie des

Fokussierelementes 200 wird dabei so ausgelegt, dass die für die elektrische Kontaktierung notwendige Fläche über dem HF-Chip 100 frei zugänglich bleibt.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wird die aufgrund des typischen Frequenzbereiches von Radarwellen im Bereich von bevorzugt 77 GHZ bis 122 GHz erforderliche hohe mechanische Genauigkeit der Teile dennoch erreicht, obwohl die Montage gegenüber dem Stand der Technik einfacher und kostengünstiger ist. Auch ist es vorteilhaft, dass die genannte Randnachbearbeitung des Podests 145 auf dem Trägerteil 110 entfällt.

Auf eine mechanische Nachbearbeitung des metallischen Trägerteils 110 kann ganz verzichtet werden, wenn dieses Teil vorteilhaft entweder mit der Zn-Druckguss- oder MIM-Technologie hergestellt wurde. Denn Teile, welche mit diesen beiden Verfahren hergestellt wurden, haben bereits die erforderten geringen Fertigungstoleranzen.

Gemäß dem in der Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der HF-Chip 100 zunächst in das Fokussierelement 200 eingeklebt oder mittels der in der Fig. 4 gezeigten Positionierstützen 410, 415 eingeklemmt. Die genannten Positionierstützen 410, 415 können dabei wenigstens in einer Richtung der beiden Richtungen (x- und y-Richtung) als Clip ausgeführt sein, die dann auch der Klemmbefestigung dienen. Wird auf die Klemmbefestigung verzichtet, wobei die Lagetoleranz des HF-Chips 100 zum Resonator dennoch ausreichend gut ist, kann an geeigneter Stelle am Fokussierelement 200 oder am HF-Chip 100 eine geringe Menge Klebstoff angebracht werden, um den HF-Chip 100 unlösbar zu befestigen. Hierbei vorteilhaft sind die Abstandstützen 715, mittels derer ohne zusätzlichen Aufwand ein präziser Abstand des Resonators 700 zum Antennenelement auf der Oberfläche des HF-Chips 100 erreicht werden kann.

Die an den jeweiligen Enden der Federn 420 angeordneten Positionierstifte 405 können als Spielpassung ausgelegt sein, so dass sich zwischen dem Fokussierelement 200 und dem Trägerteil 110 nach deren Montage kein Tiefenanschlag ergibt. Neben einem Positionierstift 405 ist wenigstens ein weiterer Stift 400 („Clipstift") an einer vom Positionierstift 405 getrennten Feder 420 angebracht. In dem Trägerteil 110 sind entsprechende (nicht gezeigte) Gegenlöcher („Cliplöcher") angeordnet. Dabei sind die Achsen von Clipstift 400 und zugeordnetem Clip loch so versetzt angeordnet, dass sich bei der Montage die Clipstifte 400 mit der Feder 420 verformen und an den relativ scharfkantig ausgeführten Unterseiten des Cliplochs verhaken und damit das Fokussierelement 200 an dem Trägerteil 110 sicher befestigt ist. Zur Vereinfachung des Einbaus des jeweiligen Fokussierelementes 200 sind die Clipstifte 400, die Positionierstifte 405 und die Cliplöcher in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zueinander mit einem entsprechenden Clip-Anschlag 425 zum Trägerteil versehen. Die Länge der Clipstifte 400 ist dann so gewählt, dass sich die zur Feder 420 hin angeordnete Fläche 425 am Ende eines Clipstiftes 400 und die Fläche des

Trägerteils 110 berühren. Mittels dieser Montageanschläge wird sichergestellt, dass die Federn 420 nicht überdehnt werden können und später bei der Montage der Moduleinheit in das Trägerteil 110 der HF-Chip 100 dennoch mit seiner Rückseite auf dem Podest 145 des Trägerteils 110, welches auch die Wärmesenke bildet, aufliegt. Die Positionierstifte 405 sind bevorzugt so lang ausgebildet, dass sie bei der Montage der Clipstifte 400 automatisch in die jeweiligen Cliplöcher des Trägerteils 110 eingeführt werden. Ein einzelner Positionierstift 405 und/oder seine Feder 420 werden gegenüber dem jeweiligen Clipstift 400 und dessen Feder 420 kräftiger ausgelegt, so dass eine Entkopplung der Positions- von der Clipfunktion gewährleistet ist.

Nach der vollständigen Montage wird das Trägerteil 110, wie bereits erwähnt, vergossen. Auf der Rückseite des Trägerteils 110 ist ein Vergussstopp 600 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der vorbeschriebene Klebstoff zwischen dem Fokussierelement 200 und dem Trägerteil 110 entfallen. Die genannte erforderliche mechanische Bearbeitung des Podests 145 sowie der Positionierstifte 405 und der

Cliplöcher kann ebenfalls vorteilhaft von der gleichen Seite her, d.h. ohne Drehung des Trägerteils 110, erfolgen. Je nach Fertigungsverfahren des Trägerteils 110 kann eine mechanische Nachbearbeitung ganz entfallen.

In der in Fig.4 gezeigten Ausgestaltung werden statt des oben beschriebenen mindestens einen Clipstiftes 400 neben jedem Positionsstift 405 je zwei Clipstifte 400 angeordnet. Dadurch ergibt sich eine symmetrische Kraftverteilung am Fokussierelement und auf den HF-Chip.

Der vorbeschriebene HF-Chip weist eine eigene Antennenstruktur auf, d.h. die von dem

HF-Chip gelieferten hochfrequenten Signale werden nicht über die genannten Bonds oder die genannte Flip-Chip-Technik zu einem auf der genannten Leiterplatte angeordneten Verteilernetzwerk geführt. Selbst mit teuren und aufwändigen Bonds würden sich generell in dem genannten Frequenzbereich zunehmend schlechtere Eigenschaften ergeben. So wären z.B. besonders ausgeführte Bondvarianten bei 77 GHz gerade noch verträglich, bei 122 GHz jedoch überhaupt nicht mehr möglich, da das Signal durch den Bond praktisch vollständig reflektiert wird. Die Leiterplatte kann daher aus dem kostengünstigsten herkömmlichen Stoff (FR4) hergestellt sein.

Bei allen Ausführungsbeispielen weisen die erfindungsgemäßen Moduleinheiten jeweils ein in definiertem Abstand über dem HF-Chip 100 angeordnetes zweites Resonator-Patch 700 (sichtbares mittiges Rechteck in den Figuren 2b, 4, 7a und 7b) auf, welches auf einem dielektrischen Substrat, z.B. einer Kaptonfolie 730 mit einer Cu-Leiterschicht, aufgebracht ist. Das Substrat wiederum ist an seiner Unterseite mit einem geeigneten

Trägerteil, das ebenfalls ein Fokussierelement 200 umfasst, fest verbunden, z.B. verklebt. Dabei weist die Folie 730 entsprechende Positionslöcher 740 auf, die mit den Abstandstützen 715 des Fokussierelementes 200 korrespondieren.

Alternativ kann das zweite Resonator-Patch auch direkt an der Unterseite des Trägerteils

110 angeordnet bzw. dort aufgebracht sein. Die Aufbringung der erforderlichen dünnen Leiterschichten mit einer Dicke < 50 μm auf den genannten Kunststoffspritzgussteilen kann mittels bekannten Verfahren wie den bereits genannten 3D-MID-Verfahren durchgeführt werden, welche z.B. die beiden Verfahren Heißprägetechnik und Tampoprinttechnik umfassen.

Die Figuren 5a - 5c zeigen unterschiedliche Draufsichten des in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiels des Fokussierelementes 200, und zwar zeigt die Fig. 5a das Fokussierelement 200 mit bereits eingelegtem HF-Chip 100 von schräg oben und die Fig. 5b von schräg unten. Die Fig. 5c zeigt das eingebaute Modul, das Fokussierelement 200 und den HF-Chip 100 in einer Draufsicht von etwa oben. In der Fig. 5c ist auch die Anordnung der Bondkontakte 500 des HF-Chips zur Leiterplatte ersehen. Da der HF- Chip 100 am Trägerteil 110 verklebt wird, kann der genannte Klebstoff nach dem Einlegen bzw. nach dem Einklemmen auf der Rückseite des HF-Chips 100 so aufge- bracht werden, dass er gleichzeitig die Positionierstützen 410, 415 benetzt und somit den

HF-Chip 100 im Fokussierelement 200 unlösbar positioniert. Sowohl der HF-Chip 100 als auch das Fokussierelement 200 werden in diesem Ausführungsbeispiel zusammen an dem Trägerteil 110 befestigt. Der Klebstoff für den HF-Chip 100 kann auch alternativ zuvor auf das vorliegend metallische Podest 145 aufgebracht sein. Bei einer Befestigung mit Spielpassung und damit notwendigem Klebstoff zwischen dem Fokussierelement 200 und dem Trägerteil 110 kann der Klebstoff vor der Montage entweder auf dem Fokussierelement 200 oder dem Trägerteil 110 aufgebracht werden. Der mit Luft gefüllte Raum zwischen dem Trägerteil 110, dem Fokussierelement 200, dem HF-Chip 100, der Füße der Bondkontakte 500 auf dem HF-Chip bis zur Ebene der Oberkante der

Leiterplatte 800 wird mit einer Vergussmasse ausgefüllt.

Die Figuren 6a und 6b zeigen das in der Fig. 5c dargestellte, auf das Trägerteil 110 bereits montierte Fokussierelement 200 in zwei orthogonalen Schnittansichten, wobei die Fig. 6a einen Stufenschnitt entlang der beiden in der Fig. 5c dargestellten gegeneinander parallel versetzten Schnittachsen ,A' und ,B' und die Fig. 6b einen Schnitt in der ebenfalls in der Fig. 5c dargestellten Schnittaches ,C darstellen. Mit Bezugszeichen 110 ist in den beiden Figuren 6a und 6b eine Wärmesenke referenziert und mit Bezugszeichen 600 ein Gehäuseboden, eine weitere Leiterplatte oder auch ein Extrateil mit der Funktion des Gussstopps. In dieser Darstellung sind in der Fig. 6a insbesondere die NF-

Kontaktpins 500 des HF-Chips 100 und der seitliche Verlauf der Federn 420 sowie der Clipstifte 400 und Positionierstifte 405 zu ersehen.

In einem Montageschritt wird das Fokussierelement 200 an der Oberseite eines in den Figuren 6a und 6b dargestellten Trägerteils 110 mittels zweier Positionsstifte 405 in entsprechend vorgesehene Positionslöcher eingesteckt. Danach erfolgt die Kontaktierung des HF-Chips 100 mit der Leiterplatte 800 über die Kontaktpins (Bonds) 500. Im Folgenden wird wie bereits beschrieben der mit Luft gefüllte Raum mit der Vergussmasse 135 aufgefüllt.

Die Figuren 7a und 7b zeigen schließlich zwei Ausführungsbeispiele des Fokussierelementes 200, bei denen ein Resonator 700 oberhalb eines noch nicht eingebauten HF-Chips 100 positioniert wird. In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 7a wird der Resonator 700, der sich auf einer separaten Trägerfolie 730 befindet, in das Fokussierelement 200 eingeklebt. Die vier Abstandstützen 715, die einen vorgegebenen

Abstand zu dem HF-Chip 100 definieren, bilden mittels der Positionslöcher (Durchbrüche) 740 gleichzeitig x-, y-Positionierstifte für die Folie 730 und den Resonator 700. Die Figur 7b zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Resonator 700 direkt auf das Fokussierelement 200 aufgedruckt ist. Am Ende zweier symmetrisch zum Abstrahlelement 215 angeordneter und als Federn ausgebildeter Stege 420 sind Pfosten 705, 710 angeordnet, welche sich jeweils aus einem Basisteil 710 mit einer von oben eingearbeiteten, nicht sichtbaren Bohrung 720 und einem von unten her angespritzen oder eingepassten Clip- oder Passstift 705 zusammensetzen. Die Befestigung des Fokussierelementes 200 in das (nicht dargestellte) Trägerteil 110 mit dem montierten HF- Chip 100 erfolgt anhand der genannten Passstifte 705 mittels der darüberliegenden Bohrung und der an der Oberseite des Basisteils 710 ausgebildeten Planfläche für ein Montagewerkzeug.

Die Federn 420 besitzen eine reine Montagefunktion. Damit wird gewährleistet, dass die Abstandstützen 715 vor dem Vergießen auf dem HF-Chip aufliegen. Die Vergussmasse bettet dann die komplette Einheit ein, eine Federhaltekraft ist nicht mehr nötig. Bei Fig.7b sind auch die Federarme 420 weitgehend eingebettet. Durch die Einbettung werden insbesondere mechanische Schwingungen unterdrückt, welche sonst zu unerwünschten Kräften auf den Stielresonator 200 und die Oberfläche des HF-Chips 100 führen würden.

Claims

Patentansprüche

1. Moduleinheit für eine Radar- Antennenanordnung mit einem integrierten HF-

Chip (100) mit wenigstens einem eine Mikrowellenstruktur aufweisendes Antennenelement, mit einem im Strahlengang der Radar- Antennenanordnung vor dem wenigstens einen Antennenelement angeordneten Fokussierelement (200), mittels dessen eine verstärkte Ausleuchtung des HF-Chips (100) erreicht wird, gekennzeichnet durch eine Anbauvorrichtung (115, 120), mittels der Fokussierelemente (200) unterschiedlicher Antennencharakteristik an die Moduleinheit angebaut werden können.

2. Moduleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Radar- Antennenanordnung zwischen dem HF-Chip (100) und dem Fokussierelement (200) ein Resonator (700) angeordnet ist.

3. Moduleinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierelement (200) und/oder ein Resonatorträger (730) aus einem Dielektrikum gefertigt sind/ist.

4. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierelement (200) durch einen Stielstrahler mit beliebiger Antennencharakteristik gebildet ist.

5. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbauvorrichtung durch mechanische Befestigungsmittel (120) gebildet ist, mittels derer das Fokussierelement (200) und/oder der HF-Chip (100) bevorzugt lösbar mit der Moduleinheit verbunden werden kann.

6. Moduleinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (120) durch Klemmvorrichtungen, Steckvorrichtungen oder dergleichen gebildet sind.

7. Moduleinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Positioniervorrichtungen (115) angeordnet sind, mittels derer das Fokussierelement (200) mit der erforderlichen Präzision an die Moduleinheit angebaut werden kann.

8. Moduleinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniervorrichtungen (115) durch Klemmvorrichtungen, Steckvorrichtungen oder dergleichen gebildet sind.

9. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Chip (100) Flip-Chip-Bumps aufweist, mittels derer der HF- Chip (100) in die Moduleinheit eingebaut werden kann.

10. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Fertigung aus einem 2-1/2-MID-SMT-Kunststoffteil mit eingefliptem HF- Chip.

11. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Trägerteil (110), welches aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, bevorzugt aus Zn-, Al- oder Mg-Druckgussmetall oder aus einem Metall mit geringer thermischer Längenausdehnung, wobei das Trägerteil (110) mittels MID-Technik (Metall-Injected-Devices) hergestellt wird.

12. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein an die Größe des HF-Chips (100) angepasstes Podest (145) als Einbauhilfe beim Einbau des HF-Chips (100).

13. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (120) und/oder die Positioniervorrichtungen (115) mit wenigstens einem Clip- Anschlag (425) versehen sind.

14. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (120) jeweils zweifach angeordnet sind, um eine symmetrische Kraftverteilung am Fokussierelement (200) und am HF-Chip (100) zu gewährleisten.

15. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen in vorgegebenem Abstand zum HF-Chip (100) angeordneten zweiten

Resonator.

16. Moduleinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Resonator auf einem dielektrischen Substrat aufgebracht ist.

17. Moduleinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Substrat mit einem dielektrischen Trägerteil, welches ebenfalls ein Fokussierelement (200) umfasst, verbunden ist.

18. Moduleinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite

Resonator direkt an der Unterseite des dielektrischen Trägerteils (110) angeordnet ist.

19. Moduleinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Substrat mit dem Resonator (700) durch vorzugsweise vier Abstandshalter (715) zum HF-Chip (100) hin positioniert ist.

20. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierelement 200 mittels einer Feder gehalten ist, welche in eine Vergussmasse (135) eingebettet ist.

21. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Bauelemente und Funktionselemente flächen- und raumsparend ineinander verschachtelt angeordnet sind.

22. Fokussierelement (200) zur Verwendung in einer Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anbauvorrichtung (115, 120) mittels der das Fokussierelement an die Moduleinheit angebaut werden kann.

23. Fokussierelement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die

Anbauvorrichtung durch Befestigungsmittel (120) gebildet ist, mittels derer das Fokussierelement (200) lösbar mit der Moduleinheit verbunden werden kann.

24. Fokussierelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die

Befestigungsmittel (120) durch Clipvorrichtungen, Steckvorrichtungen oder dergleichen gebildet sind.

25. Fokussierelement nach Anspruch 23 oder 24, gekennzeichnet durch Positionsvorrichtungen (115), mittels derer das Fokussierelement (200) mit der erforderlichen Präzision an die Moduleinheit angebaut werden kann.

26. Fokussierelement nach einem der Ansprüche 22 bis 25, gekennzeichnet durch seine Fertigung aus einem Dielektrikum.

27. Fokussierelement nach einem der Ansprüche 22 bis 26, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Stielstrahler mit beliebiger Antennencharakteristik.

28. Fokussierelement nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Fokussierelemente (200) sich durch eine unterschiedliche räumliche

Ausgestaltung eines kegelförmigen Abstrahlelementes (215) und eines Strahlerfusses (217) unterscheiden.

29. Fokussierelement nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das kegelförmige Abstrahlelement (215) längs gestreckt ausgebildet ist.

30. Radar-Antennenanordnung mit einem integriertem HF-Chip, gekennzeichnet durch eine Moduleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 21 und/oder ein Fokussierelement nach einem der Ansprüche 22 bis 29.

31. Verfahren zur Herstellung einer Moduleinheit für eine Radar- Antennenanordnung mit einem integriertem HF-Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierelement (200) mittels der Anbauvorrichtung (115, 120) an die Moduleinheit angebaut wird.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass ein dielektrisches Trägerteil (110) der Moduleinheit auf die Oberseite einer Leiterplatte mittels wenigstens zweier Positionsstifte (140) befestigt wird.

33. Verfahren nach Anspruch 11, 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktpins (125) und Leiterstrukturen (130) in ein Trägerteil (110) eingebracht werden, welches mittels 2-1/2-Mold Injected Devices(=MID) hergestellt wird.

34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator

(700) zusammen mit den Leiterstrukturen (130) gefertigt wird.