DE19721141A1

DE19721141A1 - Schaltungsanordnung für den Mikrowellenbereich

Info

Publication number: DE19721141A1
Application number: DE19721141A
Authority: DE
Inventors: Helmut Heller; Alfred Dipl Ing Plattner; Nikolaus Prediger; Wolfgang Dr Schwab
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1996-05-21
Filing date: 1997-05-21
Publication date: 1997-11-27

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für den Mikrowellenbereich, mit einer auf der Vorderseite eines Schaltungssubstrats angeordneten planaren Schaltung, wel ches Schaltungssubstrat mit seiner Rückseite auf einem Trägersubstrat angeordnet ist, das eine Trägerschaltung aufweist, die mit der planaren Schaltung verbunden ist.

Planare Schaltungen dieser Art werden üblicherweise in Mi krostreifen- oder Koplanar-Leitungstechnik ausgeführt und sind im allgemeinen mit Schaltungen auf Trägersubstraten (z. B. Leiterplatten) galvanisch zu einer Gesamtschaltung auf die Trägersubstrate gelötet oder geklebt. Die plana ren Schaltungen werden dann entweder über Bondverbindungen (vgl. hierzu z. B. DE 41 30 925 A1 oder R.K. Hoffmann: "Integrierte Mikrowellenschaltungen" (Springer-Verlag, Berlin, 1983), Seiten 56 bis 61) oder durch Feldkopplung zwischen Leitungen der beiden Schaltungen (vgl. hierzu z. B. Strauß, G.; Menzel, W.: "A novel concept for mm-wave MMIC interconnects and packaging". IEEE Int. Microwave Symp. MTT-S, San Diego, 1994, Seiten 1141 bis 1144) mit der Trägerschaltung verbunden, wobei im Falle der Feld kopplung im Kopplungsbereich die beiden miteinander zu koppelnden Schaltungsleitungen überlappend angeordnet sind mit einer Überlappungslänge von ca. k/4 (k = mittlere Wel lenlänge im Betriebsfrequenzbereich).

Bondverbindungen erfordern bei der Leiterplattenbestückung jedoch einen zusätzlichen Prozeßschritt, der die Herstel lungskosten entsprechend erhöht. Feldkopplungen zwischen Leitungen erfordern vor allem im unteren Mikrowellen-Fre quenzbereich große Überlappungslängen, was mit einem er höhten Flächenbedarf auf den Substraten bzw. Leiterplatten einhergeht und zu höheren Materialkosten führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungs anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Schaltungssubstrate auf möglichst einfache und platz sparende Weise auf den Trägersubstraten angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 wiederge geben. Die übrigen Patentansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit den Kontaktflächen auf der Rückseite der Schaltungs substrate die kostenträchtigen Bondverbindungen bzw. Feld kopplungs-Überlappungsbereiche gänzlich entfallen und den noch eine zuverlässige (galvanische) Verbindung zwischen planarer Schaltung und Trägerschaltung gegeben ist. Beson ders vorteilhaft wirkt sich dies bei monolithisch inte grierten Schaltkreisen, und hier insbesondere für den Mil limeterwellenbereich aus.

Ein weiterer Vorteil ist in der einfachen Montage der Schaltungssubstrate auf dem Trägersubstrat zu sehen, die zudem sehr unempfindlich ist im Hinblick auf die genaue Positionierung des Schaltungssubstrats auf dem Trägersub strat.

Ein dritter Vorteil ist in der robusten mechanischen Ver bindung der Schaltungssubstrate mit dem Trägersubstrat zu sehen, da mechanisch empfindliche Bondverbindungen nicht vorhanden sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Schaltungssubstrats mit einer in Mikrostreifenleitungstechnik realisierten pla naren Schaltung in der Sicht von oben, von der Seite und von unten;

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs gemäßen Schaltungsanordnung mit einem Trägersub strat und einem Schaltungssubstrat gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine weitere bevorzugte Ausführungsform des er findungsgemäßen Schaltungssubstrats mit einer in koplanarer Leitungstechnik realisierten planaren Schaltung in der Sicht von oben, von der Seite und von unten.

Bei den in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Schaltungsanord nungen erfolgt die Verbindung der planaren Schaltung auf der Rückseite des Schaltungssubstrats, in dem sowohl die HF-Anschlußleitung(en) wie auch die Masse galvanisch mit der oder den entsprechenden HF-Anschlußleitung(en) und der Masse der Trägerschaltung verbunden werden.

In Mikrostreifenleitungstechnik (Fig. 1 und Fig. 2) wird dazu die Anschlußleitung 2 der planaren Schaltung von der Vorderseite des Schaltungssubstrats 1 (Schaltungsseite) mit einer Durchkontaktierung 21 auf die Rückseite des Schaltungssubstrats 1 geführt (vgl. Fig. 1). Die Durch kontaktierung 21 kann sowohl innerhalb als auch - wie in Fig. 1 gezeigt - am Rande des Schaltungssubstrats 1 lie gen. Auf der Rückseite des Schaltungssubstrats bildet die Anschlußleitung 2 eine erste Kontaktfläche 20, die durch einen Spalt 10 von der Mikrostreifenleitungsmasse 3 elek trisch isoliert ist. Der Anschluß (vgl. Fig. 2) auf dem Trägersubstrat 6, z. B. einer mehrlagigen Leiterplatte, be steht aus einer Zuleitung 7 pro erster Kontaktfläche 20 und einer dritten Massekontaktfläche 9, die mittels (beispielhaft) vier dritten Durchkontaktierungen 8 mit der (nicht gezeigten) Masse des Trägersubstrats 6 in einer unteren Lage verbunden ist. Zuleitungen 7 und Massekon taktfläche 9 sind jeweils durch einen Spalt 60 galvanisch voneinander getrennt. Die Montage des Mikrostreifenlei tungs-Schaltungssubstrats 1 auf das Trägersubstrat 6 er folgte z. B. durch Löten oder Kleben mit Leitfähigkeitskle ber. Dabei wird die erste Kontaktfläche der jeweiligen Mi krostreifenleitung 2 bzw. die Mikrostreifenleitungsmasse 3 mit der entsprechenden Zuleitung 7 bzw. der Massekontakt fläche 9 auf dem Trägersubstrat 6 verbunden. Durch eine solche Montage wird sowohl der mechanische Kontakt als auch die HF- und Masse-Verbindung in einem Arbeitsschritt hergestellt.

In Koplanarleitungstechnik (Fig. 3) wird ebenfalls die An schlußleitung 4 von der Vorderseite des Schaltungssub strats 1 (Schaltungsseite) mit einer ersten Durchkontak tierung 41 auf die Rückseite des Schaltungssubstrats 1 geführt und bildet dort eine erste Kontaktfläche 40. Die jeweiligen Koplanarmasseflächen 5 auf der Vorderseite des Schaltungssubstrats 1 werden mittels zweiter Durchkontak tierungen 51 mit zweiten Kontaktflächen 50 auf der Rück seite des Schaltungssubstrats 1 galvanisch verbunden. Der Anschluß auf dem Trägersubstrat entspricht dem für Mikro streifenleitungsschaltungen (vgl. Fig. 1 und 2), wobei hier die Kontaktflächen 40, 50 einer Koplanaranschlußlei tung 4 bzw. -masse 5 mit der Zuleitung (7 in Fig. 3) bzw. Massekontaktfläche (9 in Fig. 2) auf dem Trägersubstrat (6 in Fig. 3) zu verbinden wäre.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungs beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auch auf andere übertragbar.

So ist es z. B. möglich, anstelle der in Fig. 2 gezeigten großen Trägersubstrat-Kontaktfläche für die Masse (= drit te Kontaktfläche 9 in Fig. 2), mehrere kleine ggf. mit einander in Verbindung stehende Masse-Kontaktflächen vor zusehen, die z. B. in etwa den Bereich der dritten Durch kontaktierungen (8 in Fig. 2) abdecken und die - im Falle eines Schaltungssubstrats mit einer in Koplanarleitungs technik ausgeführten planaren Schaltung - zusätzlich den Anschlußbereich für die Massekontaktflächen (= zweite Kon taktflächen 50 in Fig. 2) der Koplanarschaltung auf der Rückseite des Schaltungssubstrats abdecken.

Ferner ist es möglich, die planaren Schaltungen als mono lithisch integrierte Schaltkreise auszuführen, - dies ist besonders für den Millimeterwellenbereich interessant -, wobei eine solche Schaltung z. B. in Galliumarsenid(GaAs)- oder Indiumphosphid(InP)- oder Silizium(Si)-Technologie gefertigt sein kann.

In einer Verallgemeinerung der Erfindung wäre es denkbar, alle Anschlüsse (HF, Masse, DC und weitere) der planaren Schaltung über die Durch-Kontaktierungen von der Vorder seite des Substrats auf deren Rückseite zu führen. Dem entsprechend wäre dann die Rückseite des Substrats zu strukturieren. Bei monolithisch integrierten Schaltkreisen wären in dem Fall HF-Messungen "on wafer" auf isolierendem Material durchzuführen.

Claims

1. Schaltungsanordnung für den Mikrowellenbereich, mit einer auf der Vorderseite eines Schaltungssubstrats an geordneten planaren Schaltung, welches Schaltungssubstrat fit seiner Rückseite auf einem Trägersubstrat angeordnet ist, welches eine Trägerschaltung aufweist, die mit der planaren Schaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungssubstrat (1) auf seiner Rückseite min destens eine erste metallische Kontaktfläche (20; 40) aufweist, die zum einen mit der Trägerschaltung (7) und zum anderen über mindestens eine erste metallische Durch kontaktierung (21; 41) mit der planaren Schaltung (2; 4) galvanisch verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die mindestens eine erste metallische Durch kontaktierung des Schaltungssubstrats (21; 41) innerhalb des Schaltungssubstrats (1) oder an dessen Rand angeordnet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer in Mikrostreifenlei tungstechnik ausgeführten planaren Schaltung (1) mit Grundmetallisierung (3) auf der Rückseite des Schaltungs substrats (1) die mindestens eine erste metallische Kon taktfläche (20) von der Grundmetallisierung (3) elektrisch isoliert ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer in Koplanarleitungs technik ausgeführten planaren Schaltung (4) mit zweitei liger Grundmetallisierung (5) auf der Vorderseite des Schaltungssubstrats (1) das Schaltungssubstrat (1) auf seiner Rückseite mindestens zwei zweite metallische Kon taktflächen (50) aufweist, die zum einen mit der Grund metallisierung (9) des Trägersubstrats (6) und zum anderen jeweils über mindestens eine zweite metallische Durchkon taktierung (51) mit einer der beiden Grundmetallisierungs-Hälften (5) des Schaltungssubstrats (1) galvanisch verbun den sind und von der mindestens einen ersten metallischen Kontaktfläche (40) elektrisch isoliert sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die mindestens zwei zweiten metallischen Durchkontaktierungen (51) innerhalb des Schaltungssub strats (1) oder an dessen Rand angeordnet sind und von der mindestens einen ersten metallischen Durchkontaktierung (41) elektrisch isoliert sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Trägersubstrat (6) mit Grundmetallisierung auf der Rückseite mindestens eine über mindestens eine dritte metallische Durchkon taktierung (8) mit der Trägersubstrat-Grundmetallisie rung galvanisch verbunden dritte metallische Kontaktflä che (9) auf der Vorderseite des Trägersubstrats (6) an geordnet ist, die im Falle einer planaren Schaltung (2) in Mikrostreifenleitungstechnik mit der Grundmetallisie rung (3) auf der Rückseite des Schaltungssubstrats (1) und im Falle einer planaren Schaltung (4) in Koplanar leitungstechnik mit den mindestens zwei zweiten metalli schen Kontaktflächen (50) auf der Rückseite des Schal tungssubstrats (1) galvanisch verbunden ist und die von der mindestens einen ersten metallischen Kontaktfläche (20; 40) elektrisch isoliert ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die planare Schal tung (2, 4) als monolithisch integrierter Schaltkreis, insbesondere für den Millimeterwellenbereich, realisiert ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich auch vorhandene DC-Anschlüsse der planaren Schaltung über dritte metallische Durchkontaktierungen mit dritten metallischen Kontaktflächen auf der Rückseite des Schaltungssubstrats (1) verbunden sind.