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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Mikrowellenschaltung
und insbesondere eine Leiterplatte mit planaren Schaltungen bis
zu 80 GHz und ein relevantes Herstellungsverfahren.
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Allgemeiner Stand der Technik
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1 zeigt
allgemein eine Leiterplatte einschließlich Mikrowellennetzen und
nicht gemäß den Kriterien
des jüngsten
bekannten Stands der Technik implementiert. Zu sehen sind ein dielektrisches
Substrat 1 vom Mehrschichttyp wie jene aus mit Faserglas
verstärktem
Kunststoff, die üblicherweise
in der Leiterplattentechnik verwendet werden. Das Substrat 1 trägt ein Schaltungslayout
auf der Vorderseite einschließlich
metallisierter Löcher
für die
Verbindungslöcher
(Verbindungssloch) zu den anderen Schichten. Mit dem oben erwähnten Layout
verbunden sind zu sehen: zwei Mikrowellenschaltungsmodule 2 und 3,
gemäß dem bekannten
Verfahren implementiert, eine integrierte Schaltung 4,
die bei niedriger Frequenz arbeitet, ein Widerstand 5 mit
einem Kondensator 6, ein spannungsgesteuerter Oszillator 7 und ein
Eingangs-/Ausgangs-Verbinder 8 für den Transport von Versorgungen
und von Niederfrequenzsignalen. Das Substrat 1 mit der
oben erwähnten
Schaltung bildet eine funktionale Einheit, die als Vorsichtsmaßnahme in
einem in der Figur nicht sichtbaren Metallgehäuse enthalten ist, das die
Möglichkeit
mechanischer Abstützung
und Wärmeableitung
liefert. Günstigerweise
sind mehrere Einheiten dieses Typs mit einem in einem entsprechenden
Rahmen untergebrachten Gerät,
beispielsweise einem Sendeempfänger,
zusammengeschaltet.
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Die
Metallgehäuse 2 und 3 enthalten
Mikrostreifenschaltungen (Mikrostreifen) auf einem Aluminiumoxidsubstrat,
in einer späteren
Figur sichtbar. Die Wände
der Metallgehäuse
werden von zylindrischen Verbindern gb durchquert (beispielsweise
von dem als Glasperle bekannten Typ), die mit dem Schaltungslayout
auf dem Substrat 1 an einem Ende und mit den Layouts auf
Aluminiumoxid an dem anderen Ende verbunden sind für den Transport
von Versorgung zu aktiven Einrichtungen innerhalb der Module 2 und 3 und
für die
Eingabe/Ausgabe einiger Signale bezüglich Mikrowellenschaltungen
innerhalb der Module. Die oben erwähnten Wände werden auch von einem oder
mehreren Koaxialverbindern ccx für
eine gleiche Anzahl von Koaxialkabeln 9 und 10 einer
Zusammenschaltung zwischen Modulen 2 und 3 bzw.
Eingabe-/Ausgabe-Modulen von Mikrowellensignalen jeweils von und
zu anderen Funktionseinheiten ähnlich
den in 1 gezeigten durchkreuzt.
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Die
geometrische Gestalt des Schaltungslayouts auf dem Substrat 1 soll
den Stand der Technik nur andeuten, falls es tatsächlich irgendwo
ein ähnliches
Layout gibt, an dem Signale mit niedrigeren Frequenzen im Vergleich
zu Mikrowellen beteiligt sind, mit der einzigen Ausnahme des mit
einer gepunkteten Linie angegebenen Bereichs betreffend den spannungsgesteuerten
Oszillator 7 oder VCO (Voltage Controlled Oszillator),
an dem Mikrowellensignale beteiligt sind.
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Diese
Möglichkeit
zum Verwenden von Substraten, die durch einen hohen dielektrischen
Verlust gekennzeichnet sind, wie etwa solche in mit Faserglas verstärktem Kunststoff,
zum Implementieren eines Mikrowellen-VCO ist unter dem Namen des
gleichen Anmelders in
EP 992107 beschrieben.
In diesem spezifischen Fall könnten
die Mikrowellen 18 GHz erreichen, ohne die Arbeitscharakteristik
des VCO abzuändern.
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In 1 ist
zu erkennen, dass der VCO 7 aus einem Transistor TR vom
GaAs-FET-Typ in invertierter Kanalkonfiguration besteht, mit einem
Varaktor VC verbunden und mit einer Versorgungs- und Steuerschaltung
verbunden, die in einem anderen Bereich des Substrats 1 platziert
ist, in der Figur nicht gezeigt, der durch metallisierte Löcher erreicht
wird. Der GaAs-FET-TR und der Varaktor VC sind Einrichtungen, die
mit einem hermetischen Gehäuse
ausgestattet sind, aus dem die Kontaktmetallelemente herausgeführt sind.
Auf der Rückseite
der ersten Laminierung des Substrats 1 befindet sich ein
metallisierter Bereich, der mit dem VCO 7 für die Mikrostreifenausbildung
zusammenfällt.
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Wie
zu erkennen ist, ist der von dem Layout von VCO 7 belegte
Bereich ein mimimaler, wodurch der Leistungsverlust der Mikrowellenschwingung während ihrer
Ausbreitung durch das Substrat mit hohem Verlust auf ein Minimum
reduziert wird. Dazu ist die Sourceelektrode des GaAs-FET-TR direkt
an die Erdungsebene durch metallisierte Löcher geschweißt, der
Varaktor VC ist in striktem Kontakt mit der Gateelektrode des GaAs-FET-TR
platziert, und der VCO enthält
nicht den traditionellen Resonanzhohlraum mit dem enthaltenen dielektrischen
Resonator; auch vier Stichleitungen st sind an kritischen Zwischenverbindungspunkten
der Baugruppe eingesetzt, die aus dem Transistor-Varaktor mit dem
Rest des VCO 7 besteht, um die Zirkulation des Mikrowellensignals
auf Versorgungsleitungen zu verhindern. Es war nicht nötig, den
VCO 7 in ein Metallgehäuse aufzunehmen,
wenn man seine geringe elektromagnetische Interferenz auf den benachbarten
Bereichen des Substrats 1 berücksichtigt.
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Unter
Bezugnahme auf 2 ist das generische Mikrowellenmodul 3 von 1 zu
erkennen, bei dem die Abdeckung des Metallgehäuses entfernt worden ist, um
drei (chipinterne) Nacktchip-Mikrowelleneinrichtungen cp1, cp2 und
cp3 und zwei Aluminiumoxidsubstrate 11 und 12,
die auf beiden Seiten adäquat
metallisiert sind, um zwei entsprechende Layouts im Mikrostreifen
zu erhalten, durch Linien 11' beziehungsweise 12' gezeigt, zu
zeigen. Chipinterne Einrichtungen und die Aluminiumoxidsubstrate
sind durch ein leitendes Harz an das Metallgehäuse 3 geklebt oder
daran geschweißt.
Der Chip cp1 ist ein integrierter monolithischer Mikrowellenchip,
auch unter der Abkürzung
MMIC (monolithic microwave integrated circuit) bekannt, die Chips
cp2 und cp3 sind zwei monolithische Kondensatoren, die die Versorgungsspannungen
filtern. Wie bereits gezeigt besitzen chipinterne Einrichtungen
kein Gehäuse
und besitzen Anschlüsse
in Gestalt von Metallpads auf dem Siliziumoxidsubstrat und einem
Erdungskontakt entsprechend einer erweiterteren Metallisierung auf
der Rückseite.
Die Kondensatoren cp2 und cp3 weisen eine mit Masse direkt am Metallgehäuse 3 verbundene
Elektrode und die andere, mit einem relevanten Anschluss des Chips
cp1 verbundene Elektrode auf; zwei zusätzliche Elektroden des Chips
cp1 sind mit Mikrostreifen 11' und 12' für die Eingabe und Ausgabe der
Signale verbunden. Die Verbindungen sind durch Thermokompressionsschweißen durch
Hand hergestellt. Die in 2 dargestellte Schaltungskonfiguration
ist nur als eine Andeutung des Stands der Technik auf dem Gebiet
der integrierten Mikrowellenschaltungen (MIC) angegeben, die in
Metallgehäusen
enthaltene Substrate mit hohem dielektrischen Verlust verwenden.
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Es
ist nun möglich,
einige Begrenzungen von integrierten Mikrowellenschaltungen in der
bekannten Technik hervorzuheben. Es muss zuerst betont werden, dass,
ungeachtet der von der in der erwähnten Patentanmeldung unter
dem Namen des gleichen Anmelders beschriebenen Erfindung herrührenden
Vorteile, durch das Layout 7 von 1 klar betont,
zu sehen ist, dass die gleiche Figur auch die Unmöglichkeit
anzeigt, die den VCO 7 aufweisende Implementierungsumgebung
auf die ganze Mikrowellenschaltung auszudehnen. Diese Unmöglichkeit
leitet sich von zwei übereinstimmenden
Ursachen her, von denen eine lediglich die der hohen Verluste des Substrats
in mit Faserglas verstärktem
Kunststoffs ist, etwas mehr als 1 dB für die Wellenlänge, und
eine zweite die Unmöglichkeit
ist, Wärmeleistung
in den Befestigungsbereich von Mikrowellenchips mit einer bestimmten
Ableitungskapazität
abzuleiten. Es wird betont, dass die erwähnte Erfindung nur die Implementierung eines
VCO betraf, das heißt
von Schaltungen, durch die kaum elektrische Leistung fließt, bei
denen der von dem Mikrowellensignal abgedeckte Weg auf das Mindestausmaß reduziert
war; ungeachtet dieser Maßnahmen überstieg
die höchste
Arbeitsfrequenz nicht 18 GHz. Dies bedeutet, dass es unter allgemeineren
Nutzungsbedingungen der Mikrowellenschaltungen im Vergleich zu denen
für den oben
erwähnten
VCO definierten hinsichtlich sowohl der Frequenz als auch des Leistungswerts
im Transit unmöglich
ist, die Vorteile zu nutzen, um sowohl die bei niedriger Frequenz
arbeitenden Schaltungen als auch die Mikrowellenschaltungen auf
einer einzelnen Platine in Faserglas verstärktem Kunststoff zu erhalten.
Da wir bei der Technik von Telekommunikationsgeräten eine kontinuierliche Verschiebung
von Frequenzgrenzen (gegenwärtig über 50 GHz)
unterstützen,
kann bei Betrachtung der Notwendigkeit, dass die Signale zum Übertragen
verstärkt
werden müssen
und der Tatsache, dass es nicht immer möglich ist, die Länge von
Mikrostreifen zu minimieren, gesagt werden, dass die üblichen
Realisierungstechniken von Mikrowellenschaltungen, die zur Baugruppe von 1 führen, immer
noch dominant sind, wenngleich in Anwesenheit der obigen Erfindung
relevant für
den VCO 7. Aus dem Obengesagten ist zu sehen, wie die Mikrowellenmodule 2 und 3 von 1 profitabel
auf Schaltungen zugeschnitten werden, die bei Frequenzen über 18 GHz
arbeiten, und/oder von nicht vernachlässigbaren elektrischen Leistungen durchquert
werden oder wenn sogar die hohen Verluste des Substrats die Unmöglichkeit
involvieren würden,
Layouts zu erhalten, die physisch implementiert werden könnten.
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Innerhalb
der oben erwähnten
Module ermöglicht
die Befestigung von Nacktchips direkt an dem Metallgehäuse das
adäquate
Ableiten der entwickelten Wärmeleistung,
wobei man gleichzeitig eine beste elektrische Erdung erhält. Zudem
sind dielektrische Verluste von Aluminiumoxidsubstraten 11 und 12 von 2 sehr
gering, und sie können
bei Erreichen hoher Frequenzen sogar vernachlässigt werden.
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Deshalb
besitzen die Beschränkungen
für die
Mikrowellen der Mehrschichtenkarten in mit Faserglas verstärktem Kunststoff
für Mikrowellenmodule 2 und 3 von 1 keine
Bedeutung.
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Deshalb
würde es
so aussehen, als wenn die Hoffnung vereitelt wäre, auf Mikrowellenschaltungen die
gleichen automatischen oder halbautomatischen Montagetechniken auszuweiten,
die bei der Implementierung von Leiterplatten bereits allgemein
verwendet werden. Diese negativen Schlüsse würden durch die zusätzliche
Frequenzbeschränkung
verstärkt,
die nicht den Substratverlusten zugeschrieben werden kann, die ein
Mikrowellenlayout auf der Vorderseite aufgrund der Tatsache erfahren
würde,
da es auf dieser Seite keinen guten Erdungskontakt erhält. Da die
Erdungsebene auf der Mehrschichtenrückseite platziert ist, sind
metallisierte Löcher
erforderlich, um die oben erwähnten
Kontakte zu implementieren. Die bekannten Induktionseffekte dieser Art
von Verbindungen begrenzen das Band, wodurch die auf dem Fall der
Mikrowellenmonolithik zurückzuführenden
begrenzenden Effekte verstärkt
werden. Die Verluste des Glasfasersubstrats sind in jedem Fall der
dominante Faktor, durch den es unmöglich wird, jedes Layout bei
Frequenzen signifikant über
18 GHz zu implementieren. Der Mangel ist mit der physikalischen
Natur des elektromagnetischen Ausbreitungsphänomens in den Materialien verbunden,
und deshalb ist es intrinsisch unmöglich zu eliminieren. Um die
durch das Substrat eingeführte
Dämpfung wettzumachen,
wäre es
erforderlich, die Verstärkung entlang
einem Weg in Mikrostreifen zu verteilen, doch erscheint es beim
gegenwärtigen
Stand der Technik unsinnig, diesen Weg zu verfolgen. Es ist dann
erforderlich, Substrate mit niedrigem dielektrischen Verlust zu
nutzen und zum Vermeiden von Interferenz relevante elektromagnetische
Strahlung abschirmende Gehäuse
zu verwenden, das heißt
die fortgesetzte Anwendung der bekannten Konfiguration von 1.
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Der
andere mit der bekannten Konfiguration von 1 verbundene
Aspekt war die Unmöglichkeit einer
Wärmeableitung
durch die Substrate in mit Faserglas verstärktem Kunststoff. Bei der Technik
von Leiterplatten wird eine leistungsabführende Einrichtung auf einer
Wärmesenke
mit adäquater
Gestalt und adäquaten
Abmessungen für
den Zweck installiert, die relevante Überhitzung zu vermeiden. Die
Anwendung dieser elementaren thermodynamischen Überlegungen auf eine Mikrowelleneinrichtung
beinhaltet auch die Installation selbiger auf einer Wärmesenke,
bei der die bekannte Technik mit der Innenwand des ebenfalls Aluminiumoxid
enthaltenden Metallgehäuses
zusammenfällt.
Es ist deshalb schwierig, die Lehren des bekannten Stands der Technik
auf dem Gebiet zu überwinden
zu versuchen.
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Die
Konfiguration von 1, mit der Integration von 2,
zeigt eine funktionale Einheit einschließlich Mikrowellennetzen, bei
denen die Technologie, die insbesondere dem elektrischen Abschnitt
gewidmet ist, das heißt
das für
die Abscheidung von leitenden Layouts und die Oberflächeninstallation
von Komponenten Relevante muss unaufhaltsam mit dem Mechanischen
von Metallgehäusen und
Verbindern betrachtet werden. Das so erhaltene „hybride" Aussehen des Produkts verhindert, dass eine
vollständige
Automatisierung der Montageprozedur von Mikrowellenschaltungen erreicht
wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Umfang der vorliegenden Erfindung soll deshalb die Mängel der
bekannten Technik in Richtung auf eine vollständige Automatisierung der Montageprozedur
von Mikrowellenschaltungen überwinden
und eine eine planare Mikrowellenschaltung tragende Leiterplatte
anzeigen.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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Zur
Lösung
dieser Aufgaben ist der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
eine Leiterplatte, die ein Substrat mit hohem dielektrischen Verlust
aufweist, das planare Mikrowellenschaltungen trägt, die mit einer bei einer
niedrigeren Frequenz arbeitenden planaren Schaltung und mit Bias-Netzwerken
zusammenwirken, um eine vorgegebene Funktionalität zu erreichen, dadurch gekennzeichnet,
dass sie außerdem
aufweist:
- – Schlitze
in vorgegebenen Bereichen des besagten Substrats mit hohem dielektrischen
Verlust, zum Einsetzen der Komponenten der besagten planaren Mikrowellenschaltungen;
- – ein
vorzugsweise aus Kupfer hergestelltes Blech, das an dem besagten
dielektrischen Substrat anhaftet und eine solche Dicke aufweist, dass
es ein mechanisches Abstützmittel
und eine ausreichende Wärmeableitung
für die
besagten Mikrowellenkomponenten bietet, die in das besagte dielektrische
Substrat eingesetzt sind; wobei das besagte Blech außerdem eine
elektrische Erdungsebene für
die oben erwähnten
Komponenten und für
zusätzliche
Anschlusspunkte der besagten Leiterplatte bildet, die außerdem ermöglicht,
dass die Leiterbahnen der besagten planaren Schaltung als Mikrostreifen
fungieren, wie in Anspruch 1 beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Vorteilhafterweise
kann die Leiterplatte gemäß der Erfindung,
obwohl sie Mikrowellenschaltungen enthält, mit den üblichen
Oberflächeninstallationstechniken
montiert werden.
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Außerdem sind
vorteilhafterweise die planaren Mikrowellenschaltungen nicht mit
jenen Beschränkungen
bei Gebrauch und Leistungsfrequenz, die abgeleitet werden kann,
behaftet, was im Gegensatz den Betrieb der bisherigen Mikrowellenschaltungen
auf einem Substrat mit hohem dielektrischen Verlust wie etwa beispielsweise
den VCO von 1 beeinflusst. Tatsächlich ermöglichte
die Idee, in dem Substrat mit hohem dielektrischen Verlust Schlitze
zu öffnen zum
Einsetzen von Mikrowellenkomponenten zum Platzieren in Kontakt mit
einem dicken Kupferblech darunter, die Funktionen mechanischer Unterstützung, Wärmeableitung
und elektrische Erdung zu beherrschen, die von Metallgehäusen von
Mikrowellenmodulen gemäß dem bekannten
Stand der Technik bereitgestellt werden.
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Die
gleiche Idee ermöglichte
auch den Einsatz von Aluminiumoxidstreifen mit relevanten Schaltungslayouts
in Mikrostreifen als Mikrowellenkomponenten.
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Alles
obengesagte ermöglichte,
wo erforderlich, die Umgehung der starken Dämpfung, die die Signale entlang
den Mikrostreifen auf Substratem mit hohem Verlust erleiden, und
die Metallgehäuse
zumindest dort zu eliminieren, wo die Mikrowellenschaltungen nicht
signifikant innerhalb des Substrats abstrahlen. Wenn im Gegensatz
dazu die störende elektromagnetische
Strahlung signifikant ist, wird die Gehäuseabschirmungsfunktion durch
eine Ausführungsform
hergestellt, bei der ein Kranz aus metallisierten Löchern in
dem dielektrischen Substrat ganz um einen Mikrowellenschaltungsabschnitt
herum erhalten wird, dessen elektromagnetische Strahlung ansonsten
den Betrieb der übrigen
Schaltungen stören
würde.
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Deshalb
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine Ausführungsform, die sich auf die
abschirmenden Kränze
aus metallisierten Löchern
bezieht, wie sie sich aus Anspruch 2 ergibt.
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Vorteilhafterweise
kann der Kranz aus metallisierten Löchern einen abstrahlenden Schaltungsabschnitt
perfekt abschirmen, da sich die von einem Mikrostreifen erzeugte
störende
Strahlung hauptsächlich
innerhalb des dielektrischen Substrats ausbreitet und eine Barriere
in metallisierten Löchern
findet, wenn der Abstand zwischen benachbarten Löchern ausreichend niedriger
ist als die Wellenlänge
des Mikrowellensignals.
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Die
Erfindung ermöglicht
es somit, auch die Restabschirmungsfunktion zu erhalten, die ansonsten
immer noch den Metallgehäusen
zugeschrieben werden muss, unter Nutzung der gleichen Technik von
gedruckten Schaltungen, die bereits für die Realisierung der Leiterplatte
verwendet wird. Gemäß der Erfindung
erscheinen die Ursachen vollständig
beseitigt, die im bekannten Stand der Technik eine Implementierung
einer Mikrowellenleiterplatte gemäß den automatischen (oder halbautomatischen)
Techniken der Oberflächeninstallation
verhinderten.
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Vorteilhafterweise
können
zusätzliche Schichten
aus Material mit hohem dielektrischen Verlust in die bisherige Laminierung
integriert werden, was eine bessere Ausnutzung der Oberfläche auf
der Komponentenseite ermöglicht,
das heißt,
um eine höhere
Schaltungsdichte pro Oberflächeneinheit
zu erreichen, eine leichtere Verbindung zu Eingangs-/Ausgangsverbindern
des Signals und von Versorgungen und eine zusätzliche Versteifung der Struktur.
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Ein
weiterer Schutzbereich der Erfindung ist eine Prozedur für die Implementierung
der die zuvor beschriebenen planaren Mikrowellenschaltungen enthaltenden
Leiterplatte, wie er sich aus den angehängten Ansprüchen 11 und 12 ergibt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die
vorliegende Erfindung lässt
sich zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen anhand der folgenden
ausführlichen
Beschreibung einer Ausführungsform
davon in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen.
Es zeigen:
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1 eine
Perspektivansicht einer Mikrowellenschaltungskarte gemäß dem bekannten
Stand der Technik;
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2 den
Inhalt eines in 1 mit 3 markierten
Mikrowellenmoduls;
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3 ein
in der vorliegenden Erfindung verwendetes Substrat vom Mehrfachschichttyp;
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4 einen
auf dem Substrat von 3 installierten Mikrowellen-Nacktchip;
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5 einen
auf dem Substrat von 3 installierten Mikrowellen-Zirkulator;
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6 ein
metallisiertes Loch, das eine Bahn auf met1 mit einer auf met3 durch
die Mehrfachschichten von 3 verbindet;
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7 eine
Längsschnittansicht
eines Übergangs
von einem Mikrostreifen des Substrats von 3 zu einem
mechanischen Wellenleiter;
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8 eine
auseinander gezogene Ansicht der Mehrfachschichten von 3,
einen Schaltungsteil hervorhebend, der von einem Kranz aus metallisierten
Löchern
umgeben ist, die die Mehrfachschichten kreuzen; und
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9 eine
Perspektivansicht einer die vorliegende Erfindung veranschaulichenden
hypothetischen Mikrowellenschaltungskarte.
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Ausführliche Beschreibung einiger
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung
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Unter
Bezugnahme auf 3 ist eine Struktur zu sehen,
die aus den folgenden übereinanderliegenden
Schichten besteht, aufgeführt
beginnend von oben nach unten: met1, diel1, met2, diel2, met3, diel3 und
met4. Die Schichten met1, met2, met3 und met4 sind bevorzugt aus
Kupfer hergestellte Metallschichten, während die übrigen Schichten einer gleichen Anzahl
von Vetronit-Platten entsprechen, bei dem es sich um ein aus mit
Epoxidharz imprägnierten
Glasfasern hergestelltes Material handelt. Das Vetronit ist durch
einen tan-δ-Wert
von 0,025 bis 0,05 gekennzeichnet, das es als geeignet für die Anwendung
auf dem Sektor gedruckter Schaltungen konfiguriert, aber nicht auf
dem von Mikrowellenschaltungen, wo Aluminiumoxid mit einem tan-δ = 0,0001
auferlegt. Genauer gesagt besitzt die dielektrische Schicht diel1
eine Dicke von 100 μm,
während
die Schichten diel2 und diel3 jeweils eine Dicke von 300 μm aufweisen.
Die Schicht met1 wird als ein auf der Vorderseite der dielektrischen
Platte diel1 platziertes Layout bezeichnet, das Layout enthält einige
Mikrostreifen. Die Schicht met2 besteht aus einem Kupferblech mit
entsprechender Dicke, beispielsweise 1 mm. Die Schicht met3 wird
als ein auf einer Fläche
der Platte diel3 platziertes Zwischenlayout bezeichnet, wobei auf
der anderen Fläche
die Schicht met4 einer Erdungsebene entspricht. Angesichts der gelieferten Details
besitzt die Platte diel2 die ausschließliche Funktion, das auf der
benachbarten Platte diel3 platzierte Layout met3 von dem Kupferblech
met2 zu isolieren. Eine gleichwertige Implementierung ist die, bei der
das Layout met3 auf der Oberfläche
der Platte diel2 nicht in Kontakt mit dem Kupferblech met2 platziert
ist. Die Techniken zum Erhalten einer von einzelnen metallisierten
dielektrischen Platten startenden Mehrfachschicht sind in gedruckten
Schaltungen bekannt.
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In Übereinstimmung
mit dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, die anstrebt,
die Realisierungstechniken der Leiterplatten auf Mikrowellenschaltungen
(so allgemein wie möglich)
auszudehnen, ist es wichtig, auch die gleichen Realisierungsstandards
von gedruckten Schaltungen wie etwa beispielsweise Metalllinien
mit einer Breite W von nicht unter 200 μm zu erfüllen. Die Implementierung eines Mikrostreifens
auf der Schicht met1 erfordert, dass ihre Dimensionierung, als Breite
W der Leitung und Dicke h der überlagerten
Schicht diel1 gedacht, die Ausbreitung eines Quasi-TEM-Modus in
dem dielektrischen Streifen ermöglicht,
der zwischen dem Kupferblech met2 und der darüberstehenden Linie enthalten
ist. Dazu kommt es, wenn die Wellenlänge λ des sich ausbreitendem Mikrowellensignals
viel höher
ist als die Mikrostreifenbreite. Ein Verhältnis von etwa 10 zwischen λ und W wird
als angemessen angesehen. Ausgehend von einer Breite W von 200 μm für die Mikrostreifen
muss nur die Dicke h herausgefunden werden, die es ermöglicht,
die charakteristische Impedanz von 50 Ω zu erreichen. Die oben erwähnte Dicke
h führte
zu 100 μm,
genau wie die für die
dielektrische Schicht diel1 angegebene. Mit einer Breite W von 200 μm beinhaltet
das Verhältnis
(λ/W) =
10 eine Signalfrequenz von etwa 78 GHz. Bei einer gleichen charakteristischen
Impedanz beinhalten größere Breiten
W auch eine größere Dicke
h und niedrigere Frequenzen des sich entlang des Mikrostreifens
ausbreitenden Signals. Hinsichtlich der Dämpfung, die das Signal erfährt, liegt
sie etwas höher
als 1 dB über
eine Strecke von einer Wellenlänge. Bei
einigen Anwendungen stellt diese Dämpfung kein großes Problem
dar, wenn dafür
Sorge getragen wird, das Ausmaß der
involvierten Netzwerke auf ein Minimum zu reduzieren; im gegenteiligen
Fall kann ein Abschnitt des Layouts als Mikrostreifen anstatt Vetronit
direkt auf Aluminiumoxidstreifen hergestellt werden. Diese werden
als Mikrowellenchips verwendet, wie in der nächsten Figur angegeben.
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Unter
Bezugnahme auf 4 ist eine auf der in der vorausgegangenen 3 angegebenen
Mehrfachschicht installierte Mikrowellenkomponente 13 zu
sehen. Dazu zeigt die erste dielektrische Schicht diel1 eine entsprechende Öffnung für das Einführen der
Komponente 13, die mit Hilfe eines leitenden Harzes an
dem darunter liegenden Kupferblech met2 befestigt ist. Die vorliegende
Komponente kann eine Einrichtung oder eine Schaltung, ein monolithischer Nacktchip
(MMIC) oder als eine Alternative ein Netz aus Aluminiumoxid sein;
in beiden Fällen
ist eine Erdungsebene auf der unteren Oberfläche der Komponente 13 vorgesehen.
Es ist zu verstehen, wie diese Art von Befestigung die Realisierung
einer besten Verbindung zu Masse der Komponente 13 ermöglicht,
direkt auf dem Kupferblech met2 hergestellt, das wiederum mit dem
mechanischen Teil entlang einem freien Rand der darunter liegenden
Laminierung verbunden sein soll. Dadurch wird die Verbindung der Mikrowellenkomponenten
durch metallisierte Löcher zu
Masse vermieden, die im Gegensatz in dem VCO des nächstgelegenen
Stands der Technik auftrat, wodurch die Induktionseffekte einer
sogenannten heißen
Masse eliminiert werden, die die größte Arbeitsfrequenz begrenzt.
Die Verbindung der Versorungen zum Chip 13 und die Eingabe/Ausgabe
des relevanten Signals erfolgen durch dünne Golddrähte, die durch Thermokompression
zwischen Mikrostreifen und Chipkontakte geschweißt sind, wobei diese Operation
als „Bonden" bezeichnet wird.
Um die Chipeingangs- und
-ausgangsimpedanz bei 50 Ω zu
halten, ist es notwendig, dass die relevanten Verbindungen extrem
kurz sind; dies ist möglich,
wenn die Dicke der ersten dielektrischen Schicht diel1 mit der des
Nacktchips vergleichbar ist, oder von Aluminiumoxiden, wie es tatsächlich für die für die Schicht
diel1 angenommene Dicke von 100 μm
geschieht. In der Praxis ist es zweckmäßig, die Chips und die Verbindungsgolddrähte mit
einem adäquaten
Schutzharz vom vermarktbaren Typ zu überdecken.
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5 bezieht
sich auf den Fall, bei dem die in die Öffnung der ersten dielektrischen
Schicht von 4 eingesetzte Komponente ein
Mikrowellenzirkulator ist, dieser besteht aus einem runden Granat 14,
der ein Layout im Mikrostreifen trägt, überragt von einem Permanentmagneten 16.
Es wird auch ein Abstandshalter 15 vorgesehen, der zwischen
den Granat 14 und den Magneten 16 geklebt ist,
um die Golddrähte
für die
Verbindung mit dem Zirkulator zu schützen.
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6 zeigt
ein metallisiertes Loch 17, das die Mehrfachschicht von 3 kreuzt,
um eine Verbindung zwischen den Leitungen des Oberflächenlayouts
met1 und die Bahnen des Zwischenlayouts met3 zu implementieren.
Dieses letzte Layout bezieht sich vorzugsweise auf die Versorgungsbahnen der
Vorderseite der aktiven Komponenten oder auf andere Niederfrequenznetze,
kann aber auch Streifenleitungen enthalten, die Signale bis zu einigen
Gigahertz übertragen
können.
Wie zu sehen ist, verschmilzt die Metallisierung von Loch 17 mit
der der entsprechenden kreisförmigen
Grenze 17',
die den Lochrand auf den drei dielektrischen Substraten umgeben.
Um einen Massekurzschluß zu
vermeiden, besitzt das Kupferblech met2 ein Loch 18 mit
einem Durchmesser, der größer ist
als der von Loch 17, und auch die Metallisierung der Erdungsebene
met4 auf der Rückseite
zeigt kreisförmige
Bereiche ohne Metallisierung, die das Loch 17 und den kreisförmigen Kranz 17' enthalten.
Natürlich
sollen die Löcher 18 immer
vor dem Stapeln des Kupferblechs met2 innerhalb der Mehrfachschicht
hergestellt werden, damit immer die gleiche Kabine mit harzförmigen Material (Prepreg)
gefüllt
ist, mit dem die Schichten aneinander geklebt werden, wobei dieses
Material elektrische Charakteristiken zeigt, die dem mit Faserglas verstärkten Kunststoff
sehr ähnlich
sind. Bei der Fertigstellung der Mehrfachschicht erfolgen das Durchbohren
und die Metallisierung von Löchern,
gefolgt von der Oberflächeninstallation
von Komponenten, dem Bonden und den zusätzlichen Fertigstellungsoperationen.
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7 zeigt
die Ausführungsverfahren
eines Übergangs
zwischen einem Mikrostreifen des Layouts met1 von 3 und
einem Metallwellenleiter 20 mit rechteckigem Schnitt. Dazu
wird das Material unter dem Kupferblech met2 von der Grenze neben dem
Leiter entfernt. In dem freigelegten Bereich wird das dicke Kupferblech
mit einer Wand im Anschlussbereich des Leiters angepasst und dann
an ein den Leiter enthaltendes mechanisches Teil geschraubt. Bei
einem Loch, das in folgender Reihenfolge kreuzt: die erste dielektrische
Schicht diel1, die Kupferschicht met2 und die Leiterwand 20,
wird ein Übergang
eingesetzt, der aus einem zylindrischen Teflon-Körper 21 besteht, der
entlang der Längsachse von
einem Metallstift 22 gekreuzt wird; Letzterer steht im
oberen Teil für
die Verbindung mit einem Mikrostreifen vor und tritt in der Vertiefung
des Leiters 22 als Antenne aus. Der angegebene Mikrostreifen-Leiter-Übergang
ist offenkundig reziprok (Leiter-Mikrostreifen).
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8 bezieht
sich auf die Möglichkeit
zum Implementieren einer effektiven Abschirmumg eines Mikrowellenschaltungsschnitts,
der auf der ersten dielektrischen Schicht diel1 sitzt, wodurch die
Verwendung von mit einer Abdeckung geschlossenen entsprechenden
Metallgehäusen
vermieden wird. Bei einer Mehrfachschicht, die Mikrostreifen enthält, ist
die Strahlung fast nur auf die Mehrfachschicht begrenzt und involviert
den Raum in der umliegenden Luft nicht signifikant. Die Abstrahlung
findet hauptsächlich
durch die erste dielektrische Schicht diel1 statt, doch involivert
sie in einem geringeren Ausmaß auch die
anderen dielektrischen Schichten diel2 und diel3 aufgrund gewisser
Verbindungslöcher
mit der Schicht met3 durch die metallisierten Löcher 17. In der Figur
ist ein Kranz aus gleichmäßig beabstandeten
metallisierten Löchern 23 zu
sehen, der die Mehrfachschicht von 3 kreuzt
und den Mikrowellenschaltungsschnitt umschließt, der elektromagnetische
Leistung durch die Mehrfachschicht abstrahlt. Auf der Schicht diel1
befindet sich eine Metallisierung 23', die alle Löcher 23 verbindet,
die den Mikrowellenabschnitt als ein begrenzender Kranz abgrenzen. Der
Abstand zwischen benachbarten Löchern
beträgt
etwa ein Achtel der Wellenlänge,
wenn das Mikrowellensignal den oben erwähnten Abschnitt beeinflusst,
wodurch der Abschirmungseffekt garantiert wird. In dem darunter
liegenden Kupferblech met2 ist natürlich der Kranz aus Löchern 23 zusammen
mit Löchern
mit einem größeren Durchmesser
vom gleichen Typ wie Loch 18 von 6 zu sehen.
In den beiden darunter liegenden dielektrischen Schichten diel2
und diel3 ist die gleiche Lochkonfiguration zu sehen, die die erste
dielektrische Schicht diel1 kreuzt. Das auf der Vorderfläche der
dritten dielektrischen Schicht diel3 sichtbare Metalllayout met3
enthält
einen Grenzkranz 23'', der von 23' hinsichtlich der
ausschließlichen
Anwesenheit einiger Öffnungen differiert,
die für
den Austritt einiger Bahnen 24 reserviert sind, die zu
anderen Abschnitten des Layouts met3 gerichtet sind. Der metallisierte
Kranz 23'' ist streng
genommen nicht erforderlich und kann auch vermieden werden.
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Die
hohen dielektrischen Verluste der Substrate diel1, diel2 und diel3
unterstützen
das zusätzliche
Reduzieren der elektromagnetischen Interferenz und das folgliche
Risiko von Eigenschwingungen, wodurch sie eine Rolle spielen, ähnlich der
der Bleche in elektromagnetische Strahlung absorbierendem Material
(Eccosorb), die üblicherweise
an die Innenfläche
der Abdeckung von Metallgehäusen
von Mikrowellenmodulen geklebt werden.
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9 ist
eine Perspektivansicht einer hypothetischen Mikrowellenmehrfachschichtschaltungsplatine
gemäß der Erfindung,
wie sie nach der Montage erscheint. Die Ansicht fasst effektiv zusammen, was
bereits in der Beschreibung der vorausgegangenen 3 bis 7 vorweggenommen
wurde, wo aus Gründen
der Einfachheit der abschirmende Kranz der Löcher in 8 nicht
gezeigt ist. Der Abstand, die Größe von Komponenten
und die Dicke der verschiedenen Substrate besitzen (aus Zeichnungsgründen) nicht
die richtigen realen Proportionen. Aus der Figur ist zu erkennen,
wie die Mehrfachschichtleiterplatine mit dem Rand des Kupferblechs met2
in Kontakt mit dem Wellenleiter 20 und einem mechanischen
Teil 20',
an dem die Platte mit Schrauben fest fixiert ist, stark installiert
ist. Das Layout met1 ist auf der Vorderseite zusammen mit der unterschiedlichen
Typologie von Mikrowellenkomponenten 13 und 14 sichtbar,
wie sie in die relevanten Schlitze des ersten dielektrischen Substrats
diel1 eingesetzt und in Kontakt mit dem dicken Kupferblech met2
erscheinen. Der Vollständigkeit
halber wird auch der jedoch recht häufige Fall einer Komponente 13' betrachtet,
die auf dem Dielektrikum diel1 ruht, wo sie an den Mikrostreifen
angeschweist ist. Der Übergang 20, 21 ist
von dem Metallwellenleitermikrostreifen aus sichtbar. Zu sehen ist
der Abschnitt eines metallisierten Lochs 17 für die Verbindung
mit dem Zwischenlayout und der eines zweiten metallisierten Lochs 25 für die Verbindung
mit der Erdungsebene auf der Rückseite.
Im Fall des zweiten Lochs ist im Gegensatz zum ersten der Bereich
ohne Metallisierung an den Rand des Lochs herum nur auf der dritten
Metallschicht met3 hergestellt.
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Die
Vorteile, dass die Erfindung einer derartigen Schaltung zeigt, können im
Vergleich zu einer entsprechenden Schaltung gemäß dem in 1 dargestellten
bekannten Stand der Technik aus 9 verstanden
werden. Die oben erwähnten
Vorteile sind durch die Tatsache dargestellt, dass die Schaltungen
nun als ein homogenes Produkt erscheinen, das heißt, hergestellt
aus einer einfachen gedruckten Leiterkarte, ohne mechanische Mikromodule
eigens für
die Mikrowellennetze, und deshalb ohne Verbinder, Bonds und Koaxialkabel
zum Koppeln von Mikromodulen. All dies entspricht einer geringeren
Gesamtabmessung der Schaltung und Einsparungen an den zusätzlichen
Kosten des mechanischen Teils und der Verbinder.
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Was
die Realisationsprozedur betrifft, so nutzt sie einige Schritte ähnlich denen,
die üblicherweise
auf dem Sektor von gedruckten Schaltungen für die Ausführung einer vollständigen Mehrfachschicht
eines Oberflächenlayouts
verwendet wird und eines oder mehrerer Zwischenlayouts, die mit dem
Layout auf der Komponentenseite durch ein Verbindungsloch zusammengeschaltet
sind, sowie von Verbindungen mit einer Erdungsebene auf der Rückseite
durch metallisierte Löcher.
Zwischen diesen individuell bekannten Schritten befinden sich andere Schritte,
die für
die Implementierung der vorliegenden Erfindung besonders sind, und
deshalb wird sie aufgeführt.
Das bedeutet:
- – einen Schritt zum Erhalten
eines Kupferblechs met2 entsprechender Dicken, an vorbestimmten Punkten
durchbohrt, um die Verbindung mindestens bei einem Zwischenlayout
nicht kurzzuschließen;
- – einen
Lochfüllungsschritt
mit Härten
von harzähnlichem
Material des gleichen Typs wie das, das für die dielektrischen Substrate
verwendet wird;
- – einen
Einsetzschritt des Blechs met2 wie zuvor bearbeitet zwischen der
ersten dielektrischen Schicht diel1 und der aus den dielektrischen Schichten
diel2 und diel3 bestehenden Mehrfachschicht zum Ausführen der
bereits ausführlich
beschriebenen Funktionen;
- – einen
Bohrschritt der Mehrfachschicht entlang einer Grenzlinie, die einen
Mikrowellenschaltungsabschnitt einschließt, der durch das Dielektrikum
abstrahlt;
- – einen
Metallisierungsschritt der in dem vorausgegangenen Schritt erhaltenen
Löcher;
- – einem
Schleifschritt für
das Öffnen
von Fenstern in der ersten dielektrischen Schicht diel1 für das Einsetzen
von bei Mikrowelle arbeitenden Nacktchip-Komponenten oder von Zirkulatoren
oder weiter von Mikrowellennetzen auf Aluminiumoxid oder auf anderen
Substraten (beispielsweise PTFE), die dazwischenliegende Verluste
zwischen Aluminiumoxid und Vetronit zeigen. In jedem Fall weisen
alle eingesetzten Komponenten eine Metallisierung auf der Rückseite
auf;
- – einen
Schritt für
das Entfernen eines Laminierungsstreifens entlang einem Rand des
Kupferblechs met2 für
das Fixieren an den mechanischen Teil und das Erden desselbigen;
- – einen
Fixierungsschritt der oben erwähnten
Mikrowellen komponenten an das Kupferblech met2;
- – einen
Bondschritt der oben erwähnten
Mikrowellenkomponenten, hergestellt durch Hand oder auf halbautomatische
Weise;
- – einen
möglichen
Bedeckungsschritt von Komponenten in einem Chip und von relevanten
Bonds mit einem Schutzharz;
- – und
schließlich
einen Fixierungsschritt der Mehrfachschicht an den mechanischen
Teil.
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Im
Gegensatz dazu, hinsichtlich der bekannten Schritte, sind es die
Folgenden:
- – Maskierungsschritt der Vorderseite
der ersten und dritten dielektrischen Schicht diel1 beziehungsweise
diel3;
- – Kupferentfernungsschritte
von den Substraten diel1 und diel3 zum Erhalten von Layouts entsprechend
den Schichten met1 und met3;
- – einen
Stapelungsschritt von dielektrischen Substraten diel2 und diel3;
- – einen
Bohrschritt der ganzen Mehrfachschicht für die Implementierung von Verbindungslochverbindungen
zwischen der Layoutvorderseite und dem Zwischenlayout und mit der
Rückwandplatine;
- – und
schließlich
einen Oberflächeninstallationsschritt
der diskreten Komponenten und von monolithischen Komponenten passend
mit dem Gehäuse,
auf automatisierte Weise hergestellt.
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Von
der bisher erhaltenen Kenntnis kann der Fachmann die bekannten Schritte
und die neuartigen auf die adäquatere
Weise innerhalb einer Logiksequenz orten, die von den einzelnen
Substraten zu dem Fertigprodukt führt. Wie zu sehen ist, sind
die die Erfindung charakterisierenden Schritte im Vergleich zu den
bekannten dominant.
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Hinsichtlich
des Entwerfens eines angehängten
Anspruchs der Prozedur scheint es nicht opportun zu sein, in dem
Oberbegriff die Existenz des VCO anzuerkennen, der in der oben erwähnten Patentanmeldung
unter dem Namen des gleichen Anmelders beschrieben ist, da die darin
beschriebene Laminierung nicht von der differiert, die üblicherweise in
Leiterplatten verwendet wird.
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Im
Fall von nicht besonders komplexen Schaltungen, wobei Mikrostreifen
innerhalb des dielektrischen Substrats nicht signifikant abstrahlen, kann
die Erfindung ohne die Notwendigkeit implementiert werden, Zuflucht
zu einer Mehrfachschicht zu haben für das Abstützen der Zwischenlayouts, und
ohne die Notwendigkeit, Zuflucht zu dem abschirmenden Kranz aus
metallisierten Löchern
zu haben. In diesem Fall sind die verwendeten einzigen Konstruktionsabstützungen
die erste dielekrtrische Schicht diel1 und das dicke Kupferblech
met2 und natürlich
das mechanische Teil. Die einzige erforderliche Metallisierung ist
die des Oberflächenlayouts met1
mit dem möglichen
Zusatz von metallisierten Löchern
für die
Verbindung zu der aus Kupfer met2 bestehenden Erdungsebene. In dem
betrachteten Fall beinhaltet die Prozedur gemäß der Erfindung die folgenden
Schritte:
- – einen
Schritt zum Erhalten eines Kupferblechs met2 von entsprechender
Dicke;
- – einen
Bindeschritt der ersten dielektrischen Schicht diel1 zu dem Kupferblech
met2, um die eingehend beschriebenen Funktionen durchzuführen;
- – einen
Schleifschritt (oder chemischen Angriff) für das Öffnen von Schlitzen innerhalb
der ersten dielektrischen Schicht diel1 für das Einsetzen von bei Mikrowelle
arbeitenden Nacktchip-Komponenten oder als Alternative von Netzen
auf Aluminiumoxid oder von Zirkulatoren;
- – einen
Fixierungsschritt der oben erwähnten
Mikrowellenkomponenten an dem Kupferblech met2;
- – einen
Bondschritt der oben erwähnten
Komponenten;
- – einen
möglichen
Abdeckschritt von chipinternen Komponenten und der relevanten Bonds
mit einem Schutzharz;
- – und
schließlich
einen Fixierschritt der Mehrfachschicht an den mechanischen Teil.
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Abschließend erscheinen
die Vorteile, die die Erfindung der vorliegenden Prozedur in die
Herstellung eines professionellen Telekommunikationsgeräts einführt, nun
offensichtlich, wie etwa beispielsweise eine Funkverbindung. Diese
Vorteile entsprechen der Möglichkeit,
auf Mikrowellenschaltungen ohne jegliche Designbeschränkungen
die Oberflächeninstallationsverfahren anzuwenden,
die bei der Implementierung von Leiterplatten, die bei durchaus niedrigen
Frequenzen arbeiten, bereits breite Anwendung finden. Folglich wird
eine signifikante Reduktion von Montagezeiten und Produktionskosten im
Vergleich zu den traditionellen Prozeduren erzielt, die die Implementierung
von Mikrowellenmodulen vorsehen, individuell an die Zwischenfrequenzschaltungen
und an die Versorgungsschaltungen und Alarme gekoppelt.
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Unter
Zusammenfassung der Vorteile des Produkts und der Prozedur der Erfindung
kann angenommen werden, dass die vorliegende Erfindung auf dem Gebiet
der Mikrowellengeräte
eine neue Ära
eröffnet
und nicht nur im Telekommunikationsbereich, eine Ära, die
ein Vorbote weiterer Fortschritte in Richtung der Schaltungsintegration
und der Miniaturisierung bei den ständig steigenden Nutzfrequenzen
ist.