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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft monolithische integrierte Mikrowellenschaltkreise
(MMIC), und insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf die verbesserte
Verpackung eines MMIC und Sende-Empfängermoduls.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Chipverpackung für
MMIC-Chips wird zunehmend relevant. MMIC-Funkfrequenzmodule wurden nie in hohen
Mengen hergestellt, da die MMIC-Chips
brüchig
sind, typischerweise 0,0508 bis ungefähr 0,1016 mm [2 bis ungefähr 4 mil]
dick, und schwer zu handhaben. Luftbrücken, die über der Oberfläche der
Chips liegen, machen es schwer, die Chips von oben zu greifen und
Druck auf die Chips auszuüben.
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Spezielle
Greifwerkzeuge mit Ausrüstung zum
Greifen an Ort und Stelle (Pick-In-Place) wurden verwendet, um die MMIC-Chips
automatisch an Ort und Stelle zu greifen. Diese Werkzeuge sind teuer herzustellen
und üblicherweise
erfordern unterschiedliche MMIC-Chips unterschiedliche Werkzeuge.
Dies stellte eine Herausforderung für verschiedene Herstellungsfirmen
dar, da die meisten automatischen Maschinen zur Aufnahme an Ort
und Stelle auf eine beschränkte
Anzahl von Werkzeugen für MMIC-Chips
beschränkt
sind. In einigen Fällen
muss ein Hersteller eine Reihe verschiedener Maschinen zur Aufnahme
an Ort und Stelle verwenden, um ein Hochfrequenzmodul zusammenzubauen.
Dies ist ineffizient.
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Diese
MMIC-Hochfrequenzmodule werden auch in geringen Mengen hergestellt,
weil es üblicherweise
eine hohe Anzahl von MMIC-Chips, Substraten und Peri pheriebauteilen
gibt, die in jedem Modul installiert sind. Zum Beispiel würde ein
typischer Millimeterwellen-Sender-Empfänger ungefähr 10 bis ungefähr 15 MMIC-Chips,
15 bis 20 Stücke
Substrat und ungefähr
50 bis 60 andere Peripheriebauteile besitzen, wie etwa Widerstände und
Kondensatoren. Es gibt auch eine Anforderung, dass jede der Komponenten über Draht-
oder Bandverbindungen verbunden wird. Dies hat auch eine Herausforderung
für Millimeterwellen-Modulherstellerfirmen
dargestellt.
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Was
die zwei zitierten Dokumente, US-Patent Nr. 5,423,080 von Perret
et al. und den Artikel mit dem Titel „Co-Fired Ceramic on Metal
Multichip Modules for Advanced Military Packaging" von Prabhu et al.,
angeht, offenbaren diese Dokumente entweder ein unterschiedliches
Substratmaterial oder die Verwendung von mehrschichtigen Platinen.
Perret et al. lehren eine mehrschichtige Platine, die eine weiche Platine
aus Polytetrafluoroethylen, einem Epoxidharzlaminat ist, das bis
15 GHz arbeitet, anstelle einer LTCC-Keramikplatine, um eine Leistung
bei Millimeterwellenfrequenzen von bis zu 50 GHz zu erzielen. Perret
et al. lehren Oberflächemontagetechnologie
anstelle von bloßen
integrierten Millimeterwellen-Schaltkreisen
(MMIC-Chips). Perret et al. haben keine eingebetteten Kondensatoren
oder Widerstände,
wie in der vorliegenden Erfindung, in welcher alle passiven Elemente
in einer Zwischenschicht der mehrschichtigen Platine eingebettet
sind.
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Die
vorliegende Erfindung widmet sich einem Missverhältnis von thermischen Expansionskoeffizienten,
während
Perret et al. es nicht tun.
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Prabhu
et al. lehren die Verwendung einer allgemeinen LTCC-Technologie
für eine
Multichip-Modulverpackung, zeigen aber alle passiven Bauelemente,
wie Widerstände
und Kondensatoren als auf einer oberen Schicht der LTCC-Platine
befestigt, verglichen mit der vorliegenden Erfindung, in welcher
die passiven Bauelemente in einer Zwischenschicht der LTCC-Platine
eingebettet sind, um die benötigte
Platinenfläche
zu reduzieren.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Dickschicht-Millimeterwellen-Sende-Empfängermodul umfasst eine Basisplatte.
Eine mehrschichtige Substratplatine besitzt eine Vielzahl von Schichten
von Niedrigtemperatur-Übertragungsband,
die auf der Basisplatte aufgenommen werden. Die Schichten umfassen
mindestens eine aus einer Gleichstrom-Signalschicht mit Signalspuren und -verbindungen,
einer Masseschicht mit Masseverbindungen, einer Bauteil- oder Geräteschicht
mit darin eingebetteten Kondensatoren und Widerständen und einer
oberen Schicht mit Aussparungen zur Aufnahme von MMIC-Chips hierin.
Eine vorgeformte Lötschicht
liegt zwischen der Geräteschicht
und der oberen Schicht zum Sichern jeglicher MMIC-Chips. Eine Kanalisierungsplatte
wird über
der mehrschichtigen Platine aufgenommen und besitzt Kanäle, die
gebildet wurden, um MMIC-Chips aufzunehmen und Isolierung zwischen Übertragungs-
und Empfangssignalen bereitzustellen.
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In
noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Modul
Isolations-Vias umfassen, welche sich durch mehrere Schichten hinunter zur
Masseschicht erstrecken. Eine Funkfrequenzabdeckung wird über der
Kanalisierungsplatte aufgenommen. Jede der Schichten innerhalb der
mehrschichtigen Platine kann ungefähr 0,0508 bis ungefähr 0,1016
mm [2 bis ungefähr
4 mil] dick sein. Typischerweise sind die Schichten ungefähr 0,0762
mm [3 mil] dick, und die obere Schicht ist ungefähr 0,1016 mm [4 mil] dick.
Die Basisplatte kann aus Kupfer-Wolfram
oder einem anderen CTE-abgestimmten Material sein. Die Basisplatte
ist ungefähr
0,254 [0,1] bis ungefähr
0,762 [0,3] cm [Zoll] dick. In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist die Basisplatte ungefähr 0,3175 cm [0,125 Zoll] dick.
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Ein
Verfahren wird auch offenbart und umfasst das Bilden eines Dickschicht-Millimeterwellenlängen-Sende-Empfängermoduls
durch Bilden einer Basisplatte und Bilden einer mehrschichtigen
Platine mit einer Vielzahl von Schichten von Niedrigtemperatur-Übertragungsband.
Die Platine wird auf der Basisplatte emp fangen und umfasst eine
von mindestens einer Gleichstrom-Signalschicht mit Signalspuren
und -verbindungen; einer Masseschicht mit Masseverbindungen; eine
Bauteil- oder Geräteschicht
mit darin eingebetteten Kondensatoren und Widerständen; und
eine obere Schicht mit Aussparungen zur Aufnahme von MMIC-Chips hierin. Der
MMIC-Chip ist mit Lötzinn
befestigt.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Weitere
Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich,
die folgt, wenn im Licht der begleitenden Zeichnung betrachtet,
in welcher:
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1 eine
isometrische Explosionsdarstellung einer Verpackung eines integrierten
monolithischen Mikrowellen-Schaltkreises (MMIC) der vorliegenden
Erfindung ist.
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2A eine
ebene Ansicht der in 1 gezeigten MMIC-Verpackung
ist.
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2B eine
Seitenansicht der in 1 gezeigten MMIC-Verpackung
ist.
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3 eine
isometrische Explosionsdarstellung eines mehrschichtigen, Dickschicht-Millimeterwellen-Funkfrequenz-Sender-Empfängermoduls
ist, und die Abdeckung, den Kanalisierungsabschnitt, den Mehrschicht-Dickschicht-Abschnitt
und die Grundplatte zeigt.
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4 eine
isometrische Explosionsdarstellung der verschiedenen Schichten des
Dickschichtabschnitts ist.
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5 eine
isometrische Explosionsdarstellung eines Sende-Empfängermoduls
ist und die verschiedenen Verbindungen zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte MMIC-Chip-Verpackung,
wie in 2, 2A und 2B gezeigt,
bereit. Die MMIC-Verpackung 40 hat verschiedene Vorteile.
- 1. Schutz der MMIC-Chips in Verpackungen mit abgestimmten
Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE).
- 2. Verpackung von MMIC-Chips zu niedrigen Kosten.
- 3. Verbessertes automatisches Greifen und Platzierung, direkte
Drahtverbindung und Bandverbindung, ohne Schaden an einem brüchigen MMIC
zu verursachen.
- 4. Verbesserte Chip-Leistung (Isolierung) aufgrund von Miniaturverpackung.
- 5. Ein HF-Modul-Gehäuse,
das aus einem Material mit niedrigen Kosten gebildet wird, wie etwa Aluminium.
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2 stellt eine isometrische Explosionsdarstellung
der Verpackung 40 dar und zeigt den MMIC-Chip 42 und
eine Grundplatte 44, die im Hinblick auf ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE)
mit dem MMIC abgestimmt ist. Eine vorgeformte Lötschicht 46 ist auf
der Basisplatte 44 enthalten, und der MMIC wird auf der
vorgeformten Lötschicht 46 montiert.
Eine Chip-Abdeckung 48 bedeckt den MMIC. Wie gezeigt, umfasst
die Basisplatte gegenüberliegende
Seitenschienen 44a, die sich entlang eines Teils der gebildeten
Kanten erstrecken, um die Endbereiche offenzulassen. Die Chip-Abdeckung 48 umfasst
gegenüberliegende
und zwei beabstandete Überlappungsbeine 48a.
Die gegenüberliegenden
Seitenschienen 44a und Überlappungsbeine 48a sind
angeordnet, so dass, wenn die Chip-Abdeckung über dem MMIC-Chip 42 angebracht
wird, die vorgeformte Lötschicht 46 und
CTE-abgestimmte Basisplatte 44, die Seitenschienen und Überlappungsbeine
die jeweilige Chip-Abdeckung und die Basisplatte in Eingriff nehmen,
wie in 2A und 2B gezeigt,
um offene Bereiche am oberen Ende und der Seite der Ecken zu bilden
und jegliche Lötstellen 50 auf
dem MMIC offenzulassen, zur Draht- und Bandverbindung hiermit.
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Die
MMIC-Modul-Produktion kann ähnlich zur
Oberflächenmontagetechnologie
sein, durch Verpacken der MMIC-Chips, um die Handhabung der Chips
zu erleichtern. Die Basisplatte 44 wird aus preiswertem
Wärmeausdehnungskoeffizienten-(CTE)-abgestimmtem
Material gebildet, wie etwa einer Kupfer-Wolfram-Legierung, CuW, oder einer Aluminium-Silicium-Legierung,
ALSi, mit einer Dicke von ungefähr
0,254 bis 0,3809 mm [10 bis 15 mil]. Die Abdeckung 48 kann
aus einem einer Vielzahl von Materialtypen einschließlich Kunststoff
gefertigt sein. Eine vorgeformte Lötschicht von [1 bis 2 mil]
(wie etwa Goldzinn) wird auf einer Basisplatte 44 aufgenommen.
Die Abdeckung 48 ist in einer Weise geformt, dass sie nicht
die Eingangs- und Ausgangslötstellen
und die Gleichstromlötstellen
(Gate und Drain) bedeckt.
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Die
Basisplatte 44, die Abdeckung 48, die vorgeformte
Lötschicht 46 und
die MMIC-Chips 42 werden in „Waffel"-Verpackungen oder ähnlichen Verpackungen geliefert.
Diese Verpackungen werden auf einer automatischen Bestückungsmaschine (P&P) platziert,
wie dem Fachmann bekannt ist. Die P&P-Maschine wird programmiert, die
Basisplatte aufzunehmen und sie in einer „Waffel"-Verpackung" abzulegen, welche
bei einer hohen Temperatur zum eutektischen Löten (wie etwa Graphit) benutzt
werden kann, unter Verwendung von Temperaturbereichen, welche den
Fachleuten bekannt sind. Die P&P-Maschine
nimmt die vorgeformte Lötschicht 46 auf
und platziert sie in der Basisplatte 44. Der MMIC-Chip wird auf der
vorgeformten Lötschicht 46 platziert.
Die Abdeckung wird über
der Oberseite des Chips 42 platziert. Dieses Verfahren
wird für
jeden MMIC-Chip wiederholt.
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Es
wird geschätzt,
dass die gesamte P&P pro
Chip-Verpackung ungefähr
10 Sekunden benötigt.
Die Anzahl von Chips, die an einem Tag verpackt werden können, unter
Verwendung einer einzelnen P&P-Maschine,
ist weit über
8000. Die gesamte „Waffel"-Paket wird mit der
Verpackungsanordnung, einschließlich
den MMIC-Chips, in einem eutektischen Lötofen platziert, um den Lötzinn zu
verflüs sigen
und den Chip auf der Basisplatte zu befestigen und die Abdeckung
auf der Basisplatte zu befestigen.
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3 bis 5 stellen
ein verbessertes Funkfrequenz-Sende-Empfängermodul unter Verwendung
von Dickschicht-Technologie dar, wie etwa die bei niedriger Temperatur
gemeinsam gebrannte Keramiktechnologie, die als Grünband (green
tape) bekannt ist. Insbesondere stellt 4 eine Mehrschicht-Platine 50 dar,
mit unterschiedlichen Schichten von auf Niedrigtemperatur-Übertragungsband-Technologien (LTTT)
basierenden Lagen, einschließlich
einer Gleichstrom-Signalschicht 52,
Masseschicht 54, einer Schicht 56 mit eingebetteten
Kondensatoren und Widerständen,
einer vorgeformten Lötschicht 58 und
einer oberen Schicht 60.
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3 stellt
dar, wie die unterschiedlichen Schichten in 4 kombiniert
werden, um eine mehrschichtige Dickschichtplatine 50 zu
bilden, die auf einer Basisplatte 62 mit einer Kanalisierungsplatte 64 und
einer Funkfrequenz-Abdeckung 66 aufgenommen wird. Isolations-Vias 67 werden
gezeigt und dargestellt. Diese Vias können sich über mehrere Schichten hinunter
zur Masseschicht erstrecken. Sie können durch Techniken gebildet
werden, welche den Fachleuten bekannt sind.
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5 zeigt
ein MMIC-Sende-Empfängermodul 70,
bei welchem die Wellenführungs-Schnittstelle 72 in
die Kanalisierungsplatte 64 eingebaut ist und welches die
Zwischenfrequenzausgänge 74,
den lokalen Oszillatoreingang 76, Zwischenfrequenzeingänge 78,
verschiedene Gleichstrom-Pins 80, Modul-Konnektoren 82 und
externe Konnektoren 84 auf einem CCA zeigt.
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Die
vorliegende Erfindung verbessert den MMIC-Modul-Herstellungsprozess
durch Verwendung einer preisgünstigen
Mehrschicht-Übertragungsband-Dickschichtplatine 50 zur
Befestigung der MMIC-Chips 86 und durch Einbettung aller
Peripheriebauteile und elektrischen Verbindungen in die mehrschichtige
Dickschicht. Die vorliegende Erfindung bietet verschiedene Vorteile.
- 1. Eine neue Verwendung von Niedrigtemperatur-Transferband-Technologie-(LTTT)-Mehrschicht-Platinen
für MMW-Modulentwurf
und -herstellung.
- 2. Vereinfachung der MMIC-Modulherstellung durch Reduzieren
der Teileanzahl um einen Faktor von 5.
- 3. Reduzieren der Anzahl peripherer Komponenten durch Einbetten
aller Widerstände
und Kondensatoren in eine Mehrschicht-Dickschicht-Platine.
- 4. Einbetten elektrischer Verbindungen in die Mehrschicht-Platine,
wodurch die Anzahl von Draht- und Bandverbindungen reduziert wird.
- 5. Verwendung einer ebenen Modulkonfiguration zur Einfachheit
der Herstellung, dann Befestigen der HF-Kanalisierung nach Zusammenbau
der Plättchen
bzw. Dies.
- 6. Verbessern der HF-Isolierung durch Kanalisierung, Abteilungsbildung
und Masse-Vias.
- 7. Reduzieren der Gehäusekosten
durch Verwendung des Draht-EDM-Verfahrens
zur Kanalisierung, anstelle maschineller Bearbeitung.
- 8. Direkte Befestigung der SMA- und K-Konnektoren direkt auf
der Mehrschicht-Platine.
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Die
Herstellung von MMIC-Modulen wird ähnlich zur Oberflächenmontagetechnologie
durchgeführt
durch Verpacken der MMIC-Module, um vollständige Automatisierung des Herstellungsprozesses
zu erlauben. Wie in 3 gezeigt, wird das Modul aus
der Basisplatte 62, mehrschichtigem Aluminiumsubstrat 50,
welches aus den Schichten gebildet wird, einer Kanalisierungsplatte 64 und
einer Bedeckung 66 gebildet.
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Die
Basisplatte 62 ist eine goldbeschichtete flache Lage von
preisgünstigem
CTE-abgestimmtem Material,
wie etwa Kupfer-Wolfram (CuW), ungefähr 3,175 mm [1/8 Zoll] dick,
in einem Aspekt der Erfindung. Die Platte wird nur auf Größe zugeschnitten und
erfordert keine maschinelle Bearbeitung.
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Die
Mehrschicht-Platine 50 wird unter Verwendung von Niedrigtemperatur-Transferband-(LTTT)-Technologie
hergestellt, wie ähnlich
zur Grünbandtechnologie,
wie dem Fachmann wohl bekannt ist, ähnlich zu bei niedriger Temperatur
gemeinsam gebrannten keramischen (LTCC)-Lagen. Die LTTT-Verarbeitung
folgt eng den Schritten, die in der wohletablierten Mehrschicht-Dickschicht-Verarbeitung verwendet
werden, wie dem Fachmann bekannt ist. Das mehrfache dielektrische
Bedrucken pro Schicht wird durch einen Band-Laminierungsschritt
ersetzt. Sowohl Gold- als auch Silberleitersysteme können mit
LTTT benutzt werden. Verbindungen und Vias werden durch Techniken
gebildet, die dem Fachmann bekannt sind.
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Obwohl
der LTTT-Prozess zur Bildung von Mehrschichtstrukturen auf eine
Vielzahl von dielektrischen Materialien und Substrate angewandt
werden kann, ist das für
diesen dargestellten Aspekt der vorliegenden Erfindung ausgewählte Material
ein Standard-96%-Aluminiumsubstrat. Die besonders formulierten Leitermaterialien
werden auf das Aluminiumsubstrat gedruckt (screen printed), unter
Verwendung von Standard-Dickschicht-Ausrüstungs- und Verarbeitungstechniken,
die zur Bildung leitender Verbindungen und Zwischenschicht-Vias
entwickelt wurden. Die Bandlagen werden auf dem Substrat befestigt
unter Verwendung einer Kombination von Wärme und Druck.
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4 zeigt
ein Beispiel des Typs von Schichten, welche zur Bildung von Aluminiumplatten verwendet
werden können.
Die Anzahl von Schichten kann bis zu 12 betragen. Die Schichten
könnten auf
einem Basissubstrat (S) gebildet werden, wie dargestellt, von dem
dem Fachmann bekannten Typ. Jede Schicht ist ungefähr 0,0508
bis ungefähr
0,1016 mm [ungefähr
2 bis ungefähr
4 mil] dick und typischerweise 0,0762 mm [3 mil] dick und kann verwendet
werden, um niedrigfrequente HF-Signale zu tragen, Gleichstrom-Signale,
Masse, oder eingebettete passive Bauteile, wie etwa Kondensatoren
und Widerstände.
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Verbindungs-
oder Masse-Vias können über eine
oder mehrere Schichten von LTTT-Schichten implementiert werden.
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Dieses
mehrschichtige LTTT-Aluminiumsubstrat ist besonders attraktiv zur
Verwendung mit Galliumarsenid-Chips (GaAs) wegen seines CTE-Koeffizienten
(7,1). Auch besitzt dieses Material exzellente thermische Leitung
(25–200
W/MK). Die MMIC-GaAs-Chips können
direkt an dem Substrat unter Verwendung von Pre-form-Loten aus Goldzinn oder
Silberepoxid befestigt werden. Bei thermischen Bedenken können die
Chips direkt auf der Basisplatte unter Verwendung von CTE-abgestimmten
Unterlegscheiben befestigt werden oder auf thermischen Vias, die
mit der unteren Fläche
verbunden sind. Diese Vias können
durch Techniken gebildet werden, welche dem Fachmann bekannt sind.
Zur Erleichterung des Zusammenbaus und der Drahtverbindung wird
die obere Schicht (0,0762 bis 0,1016 mm dick) Aussparungen besitzen,
die exakt der Größe der Chips
entsprechen (siehe 5).
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Die
mehrschichtige Platine kostet im Durchschnitt ungefähr $ 0,23
[$ 1,5] bis $ 0,9 [$ 2,5] pro Schicht pro Quadratzentimeter [Quadratzoll].
Bis zu 43 [275] Vias pro Quadratzentimeter [Quadratzoll] sind möglich.
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Die
Kanalisierungsplatte 64 ist in einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung aus goldbeschichtetem Aluminium gebildet, obwohl andere
Materialien verwendet werden können.
Die Kanäle 64a werden unter
Verwendung von Draht-EDM-Verfahren
ausgeschnitten. Die Kanäle 64a werden
erzeugt, um die Isolation bereitzustellen, die zwischen den Übertragungs-
und Empfangssignalen benötigt
wird, und um Signale niederer Frequenz abzuschneiden. Die HF-Abdeckung
wird auch aus goldbeschichtetem Aluminium gemacht.
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5 stellt
ein MMW-Sende-Empfängermodul
dar, einschließlich
des oberflächenmontierten Schaltkreiskartenaufbaus
(CCA), das benutzt wird, um die Regler-Controller-Funktion bereitzustellen. Die
SMA-Konnektoren werden direkt auf der mehrschichtigen Platine befestigt.
Der HF-Schnittstellen-Hohlleiter wird als Teil der Kanalisierungsplatte bereitgestellt.
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Das
in 5 gezeigte Modul kann durch die folgende Technik
als ein nicht-beschränkendes
Beispiel zusammengebaut werden.
- 1. Bestücke das
mehrschichtige Aluminiumsubstrat mit allen MMIC-Chips. Das Substrat
sollte alle Niedrigfrequenz-Signalanschlüsse, Gleichstromanschlüsse, Masseanschlüsse, bereits
in den Schichten eingebettete passiven Bauteile und die vorgeformte
Lötschicht
besitzen.
- 2. Bestücke
mit dem Gleichstrom-Konnektor und den Niedrigfrequenz-SMA-Konnektoren, welche für IF- und
LO-Signale verwendet werden.
- 3. Verflüssige
den Lötzinn
in einem Vakuumofen, um den MMIC-Chip und die Konnektoren auf der Platine
zu befestigen. Silberepoxid kann anstelle des Lötzinns benutzt werden.
- 4. Verdrahte/Klemmverbinde die MMIC-Chips auf der Platine.
- 5. Befestige die Platine an der Basisplatte und der Kanalisierungsplatte
mit Epoxidharz.
- 6. Installiere die HF-Abdeckung.
- 7. Installiere den oberflächenmontierten
Regler-/Controller-CCA.
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Diese
Anmeldung ist verwandt mit gleichfalls anhängigen Anmeldungen betitelt „MICROWAVE MONOLITHIC
INTEGRATED CIRCUIT PACKAGE", und „SELF-TUNED
MILLIMETER WAVE RF TRANSCEIVER MODULE", die zum gleichen Datum eingereicht
wurden und durch dieselben Anmelder und Erfinder.
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Viele
Modifikationen und weitere Ausführungsformen
der Erfindung werden dem Fachmann in den Sinn kommen, welcher den
Vorteil der in der vorhergehenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen
dargestellten Lehren besitzt. Daher versteht sich, dass die Erfindung
nicht auf die spezifischen Ausführungs formen
zu beschränken
ist, die offenbart wurden, und dass die Modifikation und Ausführungsformen
in den Schutzbereich der abhängigen
Ansprüche
eingeschlossen sein sollen.