DE10031658A1 - Substrat und Modul - Google Patents

Substrat und Modul

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DE10031658A1
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module
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Patric Heide
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Siemens AG
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Abstract

Substrat (S), aufweisend DOLLAR A - mindestens eine erste Isolierlage (1), DOLLAR A - mindestens eine Hochfrequenz-Strukturlage (4), die ein Hochfrequenz-Verteilernetzwerk beinhaltet, DOLLAR A - mindestens eine Niederfrequenz-Strukturlage (3), in die eingangsseitig ein Spannungssignal einspeisbar ist, DOLLAR A wobei die Hochfrequenz-Strukturlage (4) von der Niederfrequenz-Strukturlage (3) durch die Isolierlage (1) getrennt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Substrat, ein Modul unter Verwen­ dung des Substrats sowie eines Verfahren zur Herstellung des Moduls und eines das Modul beinhaltenden SMD-Bauteils.
An viele Module, d. h. ein modular aufgebaute Bauelemente, werden hohe fertigungstechnologische Anforderungen gestellt, beispielsweise bezüglich einer Bestückung bzw. Fertigung un­ ter Reinraumbedingungen. Beispielsweise für Höchstfrequenz- Module ist so eine wirtschaftliche Produktion nur einge­ schränkt möglich. In diesem Fall existiert keine Möglichkeit zur großserien-tauglichen Fertigung eines Moduls für eine Ap­ plikationsfrequenz ab ca. 10 GHz, bei denen keine Standard- SMD("Surface Mounted Device")-Fertigung mehr möglich ist.
Ein Höchstfrequenz-Baustein basiert bisher in der Regel auf einem in Dünnfilm-Technik ein- oder zweiseitig strukturiertem Al2O3-Keramiksubstrat. Die heutige Auflösung einer Dünnfilm- strukturierten Keramik liegt im Bereich weniger µm, bei Dick­ schichtkeramik bei ca. 100 µm und bei einer geätzten Dick­ schicht bei ca. 5-10 µm. Für eine niederfrequente Anwendung (z. B. in der Automobiltechnik zur Fertigung einer Leiter­ platte für eine elektronische Motorsteuerung) wird die soge­ nannte "LTCC"-Technologie (Low Temperature Cofired Ceramic) eingesetzt. Eine Mehrlagentechnik ist auch für den Hochfre­ quenz(HF)-Bereich bis ca. 2 GHz möglich.
In der Verbindungstechnologie sind beispielsweise Flip-Chip- (FC)-, Chip-Size Packaging (CSP)- und Wafer Scale Packaging (WSP)-Technologien zur Realisierung hoher Bestückungsdichten bekannt. Dabei ist ein SMD-Fertigungsautomat in der Lage, FC-/BGA ("Ball Grid Array")-/CSP-Bausteine, beispielsweise für mobile Telefone, zu verarbeiten. Dabei werden typischerweise in der SMD-Bestückungstechnik Pad-/Pitch-Größen von ca. 500 µm fertigungstechnisch beherrscht; die Bestückungsgenauigkeit liegt im Bereich von ±50 µm. Beim Übergang zur Höchstfre­ quenz, typischerweise < 30 GHz und noch bis 100 GHz, ist zu beachten, dass hier deutliche höhere Anforderungen gelten und die im Höchstfrequenz-Bereich benötigten Padgrößen liegen im Bereich von 100 µm mit einer zugehörigen Platziergenauigkeit im Bereich von 5 µm. Die Beherrschung dieser Techniken ist allerdings sehr aufwendig und zur Zeit großserientechnisch noch nicht möglich.
Ein Hochfrequenz-Modul bzw. ein Hochfrequenz-Substrat kann auch in bzw. auf einem Gehäuse ein- bzw. aufgebaut werden. Dabei ist nachteilig, dass der Montageprozess relativ kompli­ ziert ist, das in der Regel eingesetzte Standardgehäuse nicht optimal ist und dass viele externe Elemente als Bias- Beschaltung notwendig sind.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglich­ keit zum vereinfachten Aufbau eines Höchstfrequenz- Bauelementes bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels eines Substrats gemäß Patentan­ spruch 1 sowie eines Moduls gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
Das Substrat weist mindestens eine erste Isolierlage, eine Hochfrequenz-Strukturlage sowie eine Niederfrequenz- Strukturlage auf.
Die Isolierlage soll die beiden Strukturlagen elektrisch ge­ geneinander isolieren. Die Hochfrequenz-Strukturlage beinhal­ tet mindestens ein Hochfrequenz-Verteilernetzwerk. In die Niederfrequenz-Strukturlage ist ein Spannungssignal einspeis­ bar, insbesondere zur Stromversorgung. Sowohl die Hochfre­ quenz-Strukturlage als auch die Niederfrequenz-Strukturlage können aktive und passive elektrische und/oder elektronische Bauelemente enthalten, beispielsweise einen Widerstand, einen Kondensator, eine Spule oder auch komplexere Elemente wie Schwingkreise, Wellenleiter oder eine mikroelektronische Schaltung. Es kann eine Struktur aber auch ausschließlich der elektrischen Leitung dienen, z. B. zur Verbindung unter­ schiedlich angeordneter Durchkontaktierungen.
Dieses Substrat besitzt den Vorteil, dass Hochfrequenz- und Niederfrequenzstrukturen sowie elektronische Bauelemente auf engem Raum integriert werden können. Das Substrat kann gleichzeitig eine Gehäusefunktion erfüllen.
Daraus ergibt sich der Vorteil einer Kostenreduzierung, indem mehrere Teilfunktionen in dem kompakten Substrat integriert werden können und damit kosten- und fehlerträchtige Bestü­ ckungs- und Testprozesse entfallen können. Dabei ist es durchaus möglich, dass einzelne Komponenten des Substrats, beispielsweise ein eingesetztes Material teurer sein kann als bei einer Herstellung mehrerer Teilkomponenten.
Weiterhin entfallen mögliche Fehlerquellen, die sich aus ei­ ner externen Verdrahtung herkömmlicher Bauelemente ergeben.
Vorteilhafterweise ist auf der ersten Isolierlage eine zweite Isolierlage aufgebracht. Dadurch kann ein mechanischer Schutz verbessert werden, und es kann eine weitere Hochfrequenz- o­ der Niederfrequenz-Strukturlage in das Substrat integriert werden.
Zur Integration weiterer Funktionen ist es vorteilhaft, mehr als zwei Isolierlagen aufeinander zu stapeln, wobei zweckmä­ ßigerweise zwischen jeder Isolierlage eine Strukturlage vor­ handen ist.
Es ist günstig, wenn mindestens eine Lage mindestens ein LTCC-Grundmaterial aufweist, weil so eine Möglichkeit zur einfachen und schonenden Verbindung zwischen den einzelnen Lagen gegeben ist. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn alle Lagen aus einem LTCC-Grundmaterial bestehen. Als LTCC- Material kommt z. B. Dupont "Green Tape", Heraeus KQ.
Es ist auch günstig, wenn die Hochfrequenz-Strukturlage an einer Außenfläche des Substrats angebracht ist, weil sich so eine einfache und störunanfällige Verbindung zu einem mit Hoch- bzw. Höchstfrequenz betriebenen Anwendungsbaustein, beispielsweise einem Frequenzgenerator, einem MMIC oder einer Mikrowellenantenne, herstellbar ist.
Es ist aber auch möglich, eine elektromagnetische Wirkverbin­ dung zwischen Hochfrequenz-Strukturlage und einem und/oder mehreren Anwendungsbausteinen mittels eines die Isolier­ schicht durchdringenden Strahlungsfeldes herzustellen, bei­ spielsweise mittels eines Wellenleiters.
Es kann auch günstig sein, wenn eine elektromagnetische Wirk­ verbindung zwischen zwei oder mehreren Strukturlagen vorhan­ den ist, beispielsweise zwischen zwei Niederfrequenz- Strukturlagen. Die elektromagnetische Wirkverbindung lässt sich z. B. mittels einfacher Durchkontaktierungen oder mit­ tels Wellenleitung herstellen. Im weitesten Sinne kann unter der elektromagnetische Wirkverbindung auch verstanden werden, dass eine Hochfrequenz-Strukturlage und eine Niederfrequenz- Strukturlage über einen Frequenzgenerator verbunden sind, der mittels der Niederfrequenz-Strukturlage gespeist wird und der das erzeugte Hochfrequenzsignal in die Hochfrequenz- Strukturlage leitet.
Es wird bevorzugt, wenn eingangsseitig an einer Niederfre­ quenz-Strukturlage mindestens ein Flip-Chip-Kontaktpad vor­ handen ist. Insbesondere ist es zur einfachen und sicheren Montage vorteilhaft, wenn alle eingangsseitigen elektrischen Kontakte in Form von Flip-Chip-Kontaktpads vorliegen. Dabei ist es besonders einfach, wenn die Flip-Chip-Kontaktpads zur Verwendung der BGA-Methode vorgesehen sind. Dadurch kann das Substrat eingangsseitig auf ein herkömmliches SMD-Bauteil aufgesetzt werden.
Zur sicheren und schnellen Aufbringung ist es vorteilhaft, wenn auch die Hochfrequenz-Strukturlage Flip-Chip-Kontaktpads aufweist, insbesondere zur Aufnahme von Anwendungsbausteinen. Zur Verwendung mit Höchstfrequenzen < 10 GHz ist es besonders günstig, wenn die Kontaktpads Finepitch-Kontaktpads sind.
Zur Verwendung von Hoch- und Höchstfrequenz-Anwendungsbau­ steinen ist es vorteilhaft, wenn die Hochfrequenz- Strukturlage mindestens einen Wellenleiter aufweist. Beson­ ders günstig ist dabei die Verwendung eines Mikrostreifen- Wellenleiters und/oder eines koplanaren Wellenleiters. Anwen­ dungsbausteine können so zum Beispiel mittels Flip-Chip- Technik an der Hochfrequenz-Strukturlage befestigt werden und gleichzeitig mittels eines Wellenleiters mit dem Frequenzsig­ nal versorgt werden.
Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Modul, welches das oben be­ schriebene Substrat aufweist, und bei eine Außenseite des Substrats an dessen Außenseite mit mindestens einem Anwen­ dungsbaustein bestückt ist, der in Wirkverbindung mit der Hochfrequenz-Strukturlage in Wirkverbindung steht. Die Wirk­ verbindung kann beispielsweise ein direkter elektrischer Kon­ takt, z. B. eine Flip-Chip-Verbindung sein oder auch eine Wirkverbindung aus der Basis einer Wellenleitung oder eine Kombination daraus. Ein Anwendungselement kann beispielsweise ein MMIC, ein Frequenzgenerator, eine Mikrowellenantenne oder ein Mikrochip sein.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Anwendungselement mit­ tels Flip-Chip-Bondens, insbesondere mittels Finepitch-Flip- Chip-Bondens mit dem Substrat, insbesondere der Hochfrequenz- Strukturlage, verbunden ist.
Zur einfachen Herstellung und zum präzisen Betrieb, insbeson­ dere von mikrowellen-gespeisten Bauteilen wie einem MMIC ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine Anwendungsbaustein mittels eines Wellenleiters mit der Hochfrequenz-Strukturlage in Wirkverbindung steht. Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn der Wellenleiter ein Mikrostreifen-Wellenleiter oder ein Koplanar-Wellenleiter ist. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung eines MMIC, eines Filters oder einer Antenne als Anwendungsbaustein. Der Anwendungsbaustein kann insbeson­ dere mittels FC-Technik mit dem Wellenleiter verbunden sein.
Zwar ist es möglich, eine Hochfrequenz-Zuleitung durch das Substrat zu führen, aber es ist günstig, wenn mindestens ein Anwendungselement ein Frequenzgenerator oder ein Signalver­ stärker ist. Dadurch brauchen die Isolierlagen nicht hochfre­ quenztauglich zu sein, sondern können stabil und einfach auf­ gebaut sein, z. B. mit hoher Schichtdicke. Durch den Fre­ quenzgenerator kann ein Frequenzsignal erzeugt, in die Hoch­ frequenz-Strukturlage eingespeist und von anderen Anwendungs­ modulen, z. B. einer Sendeantenne, abgegriffen werden. Es kann aber beispielsweise auch eine Konfiguration reali­ siert sein, bei der ein Frequenzsignal von außen zugeführt wird, z. B. über die Luft, und dann nur durch einen Verstär­ ker verstärkt wird. Dies kann dadurch geschehen, dass ein An­ wendungsbaustein eine Empfangsantenne ist, deren Signal ver­ stärkt und dann weitergeleitet wird.
Das Substrat ist besonders vorteilhaft, weil störunanfällig, einsetzbar im Höchstfrequenzbereich der typischerweise im Be­ reich von 10 GHz aufwärts liegt. Insbesondere vorteilhaft ist ein Anwendungsbereich zwischen 10 GHz und 200 GHz, speziell zwischen 20 GHz und 100 GHz.
Zur Erhöhung der Lebensdauer eines Moduls ist es günstig, wenn das mindestens eine Anwendungselement mittels eines De­ ckels abgedeckt ist, welcher beispielsweise auf dem Substrat aufsetzt.
Zur einfachen und präzisen sowie störunanfälligen Befestigung des Moduls auf einem anderen Bauteil, insbesondere einem SMD- Bauteil, ist es vorteilhaft, wenn das Modul eingangsseitig mittels einer Flip-Chip-Technik, insbesondere als Ball Grid Array ("BGA") aufsetzbar ist.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn Elemente nur in Flip- Chip-Technik am Substrat befestigt werden, z. B. die Anwen­ dungsbausteine in Fine-Pitch-Flip-Chip-Technik einerseits, und das Substrat an einem SMD-Bauteil in Standard-BGA-FC- Technik andererseits.
Erfindungsgemäß ist es auch, wenn ein Modul dergestalt herge­ stellt wird, dass mindestens ein allgemeiner Anwendungsbau­ stein, vorzugsweise alle Anwendungsbausteine, mittels Flip- Chip-Technik auf das Substrat gebondet wird. Insbesondere zur Gewährleistung einer störunanfälligen Hoch- und Höchstfre­ quenz-Verbindung ist ein Finepitch-Flip-Chip-Bonden günstig.
Das Bonden kann z. B. Thermokompressions-FC-Bonden sein, ty­ pischerweise unter Druck und einer Temperatur von ca. 300°C. Dieser Prozess ist sequentiell, d. h., dass die Anwendungs­ bausteine Stück für Stück auf das Substrat gebondet werden. Alternativ kann FC-Löten verwendet werden. Dabei tragen die Anwendungsbausteine und das Substrat Lötbumps, typischerweise aus AuSn oder PbSn). Das Substrat wird dann zunächst mit den Anwendungsbausteinen bestückt, wobei die Elemente mittels ei­ nes Klebepunktes fixiert sind. Dann wird das Modul in einem Ofen, z. B. einem Reflow-Ofen, erhitzt, so dass die Lötver­ bindung hergestellt wird. Der Lötprozess weist den Vorteil auf, dass das Substrat und alle Anwendungsbausteine gleich­ zeitig gelötet werden und damit ein hoher Durchsatz erzielbar ist. Die Zuführung der Anwendungsbausteine geschieht bevor­ zugt in "bare chip"-Form über Wafer (z. B. aus GaAs, Si, Ke­ ramik) auf Blue Tape. Alternativ sind auch Wafflepack-, Gel­ pack-, Surftape- und Tape & Reel-Methoden einsetzbar.
Es ist auch erfinderisch, mindestens ein zusammengesetztes Modul mittels Flip-Chip-Technik auf ein SMD-Bauteil gebondet wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn dieses Bonden mit Standard-Methoden stattfinden kann, z. B. mittels BGA-FC- Bondens auf eine FR4-Leiterplatte. Selbstverständlich können auch mehrere Module auf das SMD-Bauteil aufgebracht werden. Daneben können sich auch andere Bauelemente auf dem SMD- Bauteil befinden, z. B. ein Mikroprozessor.
Dieses Herstellungsverfahren weist den Vorteil auf, das seine höchstfrequenztaugliche Verbindung zwischen am SMD-Bauteil hergestellt wird. Auch können so viele Einzelfunktionen auch unterschiedlicher Technologie, z. B. Module aus Si, GaAs, InP, Keramik, LTCC usw., zu einem funktions- und kostengüns­ tigen Bauteil zusammengefügt werden.
Zur Gewährleistung eines hohen Durchsatzes ist es günstig, wenn das Modul mittels FC-Lötens auf dem SMD-Bauteil aufge­ bracht wird. Falls schon das Modul mittels FC-Lötens auf das Substrat gebondet wurde, ist zu beachten, dass für das erste Löten Bumps mit höherem Schmelzpunkt, z. B. aus AuSn, verwen­ det werden als beim zweiten Löten, z. B. mittels PbSn-Bumps.
Beispielsweise können die bestückten Module im Standard SMD- Fertigungsprozess als drop-in-SMD-Bausteine weiterverarbeitet werden. Als Darreichungsform für die Module kommen z. B. in Betracht: Tape & Reel, Tray, Surftape und ggf. Auer Boat. Der SMD-Prozess kann zum Beispiel die Vorgänge: Siebdruck der Leiterplatte (meist Standard-Leiterplatte aus FR4), SMD- Bestückung der SMD-Platine mit den Modulen und danach Reflow- Löten.
Der angegebene Prozessablauf in Verbindung mit dem flexiblen Modulkonzept weist den Vorteil auf, dass ein automatisierba­ rer, integrierter Fertigungsprozess entsteht. Nur das Modul selbst wird typischerweise in einem Reinraum gefertigt, der Rest, z. B. die SMD-Bestückung, erfolgt unter einer Standard­ bedingung. Die Bestückungsphilosophie bei der Modulbestückung und der SMD-Bestückung ist weitgehend gleich, Unterschiede liegen vor allem in den Anforderungen an die Positionierung.
Es ist somit auch denkbar, dass die Modulbestückung und die SMD-Bestückung in einem Arbeitsgang durchgeführt werden. Da­ durch würden kosten- und fehlerträchtige Bestückungsprozesse weiter vermieden.
Die Module oder diese beinhaltende Bauelemente wie SMD- Bauteile sind z. B. bevorzugt anwendbar im Bereich der Senso­ rik (z. B. Distanzradar) oder in der Kommunikationstechnik (z. B. Broadband Wireless Access, Last Mile)
In den folgenden Ausführungsbeispielen werden das Substrat und das Modul schematisch näher ausgeführt.
Fig. 1 zeigt ein Modul unter Verwendung eines Substrats,
Fig. 2 zeigt ein weiteres Modul,
Fig. 3 zeigt ein Modul,
Fig. 4 zeigt eine mit Modulen bestückte SMD-Leiterplatte,
Fig. 5 zeigt ein Verfahren zur Bestückung eines Moduls,
Fig. 6 zeigt ein Verfahren zur Bestückung eines SMD-Bauteil mit Modulen.
Fig. 7 zeigt einen Hochfrequenz-Baustein nach dem Stand der Technik
Fig. 7 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein Hochfrequenz-Bauelement nach dem Stand der Technik für eine Anwendung bis ca. 2 GHz.
Fig. 1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein Mo­ dul M unter Verwendung eines Substrats S.
Auf einer ersten Isolierlage 1 aus LTCC ist eine Hochfre­ quenz-Strukturlage 4 aufgebracht, die vorwiegend metallisch ist. Die Hochfrequenz-Strukturlage 4 entspricht in ihrer Funktion einem Hochfrequenz-Netzwerk, das also auf einer Au­ ßenfläche des Substrats S aufgebracht ist. Die Hochfrequenz- Strukturlage 4 beinhaltet mehrere Wellenleiter MW, z. B. Mik­ ro- oder Millimeterwellenleiter, die jeweils Finepitch- Kontaktpads FPK zur Aufnahme von Anwendungsbausteinen A1, A2, A3 in FC-Technik aufweisen.
Auf der entgegengesetzten Seite der ersten Isolierlage 1 ist eine Niederfrequenz-Strukturlage 3 aufgebracht, die Kontakt­ pads FCK in Standard Flip-Chip-Technik, z. B. bezüglich der BGA-Methode, aufweist. Im einfachsten Fall weist die Nieder­ frequenz-Strukturlage 3 nur Leiterbahnen auf, mittels derer ein über die Kontaktpads FCK eingespeistes Spannungssignal, typischerweise ein Niederfrequenz-Spannungssignal, an einen Anwendungsbaustein A1, A2, A3 weitergeleitet werden kann, z. B. einen Höchstspannungs-Generator. Dazu sind auch Durchkon­ taktierungen D durch die erste Isolierlage 1 vorhanden.
Fig. 2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein Mo­ dul M unter Verwendung eines Substrats S.
Das Substrat S weist außer der ersten Isolierlage 1 zwei wei­ tere übereinanderliegende Isolierlagen 2, 5 auf. Die Isolier­ lagen 1, 2, 5 bestehen aus LTCC-Grundmaterialien (z. B. Dupont "Green Tape", Heraeus KQ) und sind miteinander laminiert. Zwischen den Isolierlagen 1, 2, 5 sind Niederfrequenz- Strukturlagen 6, 7 angebracht.
Eine Niederfrequenz-Strukturlage 6 weist Bauelemente B1, B2 auf, die darüber liegende Niederfrequenz-Strukturlage 6 weist hingegen kein Bauelement auf, sondern dient dazu, eine Ver­ bindung zwischen den Durchkontaktierungen D der anderen Strukturlagen herzustellen. Als Bauelemente B1, B2 können z. B. beispielsweise ein Widerstand, ein Kondensator, eine Spule oder auch ein komplexeres Elemente wie ein Schwingkreis, Wel­ lenleiter oder eine mikroelektronische Schaltung sein. Dies kann z. B. zur Steuerung und/oder Überwachung einer Span­ nungsversorgung dienen oder auch zur Aufarbeitung von Mess­ werten.
Es ist vorteilhaft, wenn die Isolierlagen 1, 2, 5 als LTCC- Lagen ausgeführt sind, weil diese erst nach einem Erhitzen als feste Keramik vorliegen, und vorher vergleichsweise fle­ xibel sind. Zudem könne auf sie Strukturlagen in einfacher Weise aufgebracht werden, z. B. als Dünnschicht in Siebdruck­ technik. Dabei können z. B. auch die Bauelemente B1, B2 einer Strukturlage 3, 6, 7 in Siebdruck aufgebracht werden. Dies lässt sich beispielsweise durch Aufdrucken von Widerstands­ pasten etc. realisieren. Derartige Prinzipien der Aufbringung von Strukturen sind aus der Dick- bzw. Dünnschichttechnik be­ kannt.
Sowohl die Hochfrequenz-Strukturlage 4 als auch die Nieder­ frequenz-Strukturlagen 3, 6, 7 können aktive und passive elekt­ rische und/oder elektronische Bauelemente enthalten.
Somit werden durch die verschiedenen Strukturlagen 3, 4, 6, 7 jeweils unterschiedliche Aufgaben erfüllt, welche zu­ dem in unterschiedlichen Frequenzbereichen liegen können. Eine Vereinigung von Niederfrequenz- und Hoch- bzw. Höchst­ frequenzfunktionen in dem Substrat S hat den Vorteil, dass eine komplette und kompakte Einheit hergestellt wird.
Allgemein wird es bevorzugt, wenn mindestens eine äußere Strukturlage 4 Hoch- bzw. Höchstfrequenzbereich arbeiten kann, während die eher im Inneren des Substrats S befindli­ chen Strukturlagen 6, 7 niederfrequent bzw. mit Gleichstrom arbeiten. Falls auch die inneren Strukturlagen 6, 7 hochfre­ quenztauglich sind, bietet sich hier vorteilhafterweise eine koplanare und/oder triplate Struktur an. Über Wellenleiter können Wellen, insbesondere Mikrowellen und Millimeterwellen geführt werden.
Bei einer Aufteilung der Hochfrequenz- und Niederfrequenz- Funktionen auf innere und äußere, Bereiche des Substrats S liegenden Strukturen, ist es von Vorteil, wenn die Struktur­ lagen 3, 4, 6, 7 unterschiedlich prozessiert werden. Aus Kostengründen kommt es vorzugsweise in Betracht, eine Hochfrequenz- Strukturlage 4 präzise zu strukturieren, beispielsweise mit Dünnfilmtechnik oder geätzter Dickschichttechnik, und die Niederfrequenz-Strukturen 3, 6, 7 mit einem gröberen Struktu­ rierungsprozess, beispielsweise Dickschicht, zu bearbeiten.
Das Modul M weist auf der Außenseite des Substrats S, mit der Hochfrequenz-Struktur 4 verbunden, Anwendungsbausteine A1, A2, A3 auf. Ein Anwendungsbaustein dient als Höchstfrequenz- Generator A1. Er ist über Durchkontaktierungen D mit den ein­ gangsseitigen FC-Kontaktpads FCK verbunden und kann anderer­ seits ein erzeugtes Hoch- und Höchstfrequenzsignal durch die als Netzwerk wirkende Hochfrequenz-Strukturlage 4 zu den an­ deren Anwendungsbausteinen A2, A3 leiten.
Der Höchstfrequenz-Generator A1 steht mit einem Wellenleiter MW, an dem er mittels Finepitch-FC-Bumps FCB befestigt ist, mit der Hochfrequenz-Struktur 4 in Verbindung. Selbstver­ ständlich kann ein Anwendungselement A2 auch durch direkten Kontakt mit der Hochfrequenz-Struktur 4 verbunden sein. Typi­ sche Anwendungselemente A1, A2, A3 sind MMICs, diskrete Halb­ leiter, Keramikelemente (Filter etc.), Sende-/ und/oder Emp­ fangsantennen, Hochfrequenz-Generatoren und -Verstärker.
Das Modul M beinhaltet weiterhin einen Deckel 8, welcher aus einem Rahmen und einer Abdeckung besteht. Als Material z. B. dielektrische Materialien oder Metalle in Frage. Metall be­ sitzt den Vorteil, dass keine Abstrahlung stattfindet. Falls das Modul M allerdings Anwendungsbausteine A2, A2, A3 ent­ hält, welche strahlend sind, beispielsweise Antennen, ist ei­ ne dielektrische Abdeckung, die von Hoch- bzw. Höchstfre­ quenz-Technik gut durchdringt wird, vorteilhaft sein.
Auf der den Anwendungselementen A2, A3, A1 entgegengesetzten Seite sind die FC-Kontaktpads FCK des Substrats S so angeord­ net, dass sie über ein sogenannte BGA (" Ball Grid Array") anschließbar sind. Das Substrat S bzw. das Modul M kann dadurch wie ein Standard-SMD-Aufsatzelement ("Surface Mounted Device") weiterverarbeitet werden.
Bei Verwendung eines BGA-LTTC-Moduls M kann es auch vorteil­ haft sein, wenn in diesem nur die hochfrequenz-nahen Funktio­ nen untergebracht sind. Auf einem das Modul M haltenden Ba­ sisträger (z. B. SMD-FR4-Platine) können alle weiteren komple­ xen Systemfunktionen untergebracht werden. Eine solche Anord­ nung besitzt den Vorteil, dass ein System, in dem ein solches BGA/LTTC-Modul M enthalten ist, unter Standardbedingungen ge­ fertigt werden kann.
Insbesondere vorteilhaft ist die Verwendung des Substrats S und des Moduls M in der Hoch- und Höchstfrequenz-Technik, insbesondere im Bereich der Sensorik, z. B. Distanzradar und der Kommunikationstechnik, z. B. Broad-Band-Wireless Access. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz bei Höchstfrequenzen < 10 GHz, insbesondere größer als 20-30 GHz.
In Fig. 3 wird in Schrägansicht auf ein Modul M gegeben. Auf dem Substrat S sind mehrere Anwendungsbausteine A1, . . ., A4 in FC-Technik befestigt und untereinander mittels HF- Leitungen als Teil der Hochfrequenz-Struktur 4 verbunden. Ein Anwendungsbaustein A3 ist eine Antenne, so dass dieses Modul M z. B. als Radar, insbesondere als FMCW-Radar, einsetzbar ist.
Fig. 4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht zwei Module M, welche beide mittels Standard-Flip-Chip-Technik auf einer Standard-FR4-Leiterplatte angebracht sind, welche selbst wiederum mittels Standard-SMD-Bestückung mit einem e­ lektrischen bzw. elektronischen System verbunden ist. Bei­ spielsweise können die beiden Module M eine Sende- und eine Empfangseinheit für ein Mikrowellenradar darstellen.
Fig. 5 zeigt ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Moduls M durch Bestückung des Substrats S mit Anwendungsbau­ steinen A1, . . ., A4.
Ein Substrat S wird vorgefertigt und z. B. in einem Magazin gelagert. Zur Bestückung wird das Substrat S in eine Ferti­ gungsanlage eingeführt und mittels batch processing mit den Anwendungsmodulen A1, . . ., A4 bestückt. Vorzugsweise werden alle Anwendungsbausteine A1, . . ., A4 mittels Flip-Chip-Technik auf das Substrat S gebondet. Wegen der erhöhten Anforderungen an die Verbindungstechnik im Höchstfrequenzbereich < 10 GHz, speziell ab 30 GHz, wird zwischen Anwendungsbausteinen A1, . . ., A4 und Substrat S ein Finepitch-Flip-Chip-Bonden be­ vorzugt. Dadurch fallen z. B. keine signifikanten parasitären Induktivitäten und Kapazitäten mehr an.
Das Bonden kann z. B. Thermokompressions-FC-Bonden sein, be­ vorzugt wird allerdings das FC-Löten. Dabei tragen die Anwen­ dungsbausteine A1, . . ., A4 und das Substrat S Lötbumps, typi­ scherweise aus AuSn oder PbSn. Das Substrat S wird dann zu­ nächst mit den Anwendungsbausteinen A1, . . ., A4 bestückt ("pick and place"), und dann das populierte Modul M in einem Ofen, z. B. einem Reflow-Ofen, erhitzt, so dass die Lötverbindung hergestellt wird. Der Lötprozess weist den Vorteil auf, dass das Substrat S und alle Anwendungsbausteine A1, . . ., A4 gleichzeitig verbunden werden können, und damit ein hoher Durchsatz erzielbar ist. Die Zuführung der Anwendungsbaustei­ ne A1, . . ., A4 geschieht bevorzugt in "bare chip"-Form über Wafer (z. B. aus GaAs, Si, Keramik) auf Blue Tape. Alternativ sind auch Wafflepack-, Gelpack-, Surftape- und Tape & Reel- Methoden einsetzbar.
Die Höchstfrequenz-Verbindungen werden typischerweise in ei­ nem Reinraum durchgeführt. Nach der Populierung des Substrats S ist das Höchstfrequenz-Modul M bereit zur Weiterverarbei­ tung. Es kann nun außerhalb des Reinraums gelagert werden, z. B. in einem weiteren Magazin.
Dieses Herstellungsverfahren kann für alle möglichen Hoch- und Höchstfrequenz-Bausteine verwendet werden.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Herstellungsverfahren, bei dem mindestens ein populiertes Modul M weiterverarbeitet wird. Dabei wird das Modul M als kompakter SMD-Anwendungsbaustein behandelt und mit einer standardmäßigen SMD-Leiterplatte L zu einem SMD-Bauteil T verbunden. Das Modul M kann aber selbst­ verständlich auch auf einen anderen Teil des SMD-Bauteil T gebondet werden.
In diesem Anwendungsbeispiel wird eine unbestückte FR4-SMD- Leiterplatte L aus einem Magazin geholt, und es wird ihre Verdrahtung mittels Siebdruck aufgebracht. Dann wird die Lei­ terplatte L mit mindestens einem populierten Modul M be­ stückt, vorzugsweise mittels FC-Bondens, insbesondere FC- Lötens. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn dieses Bon­ den mit Standard-Methoden stattfindet, z. B. mittels BGA-FC- Bondens auf eine FR4-Leiterplatte.
Eine Heranführung der Module M geschieht z. B. mittels Tape & Reel, tray, Auer Boat, surftape etc. Selbstverständlich könne auch andere Bausteine, typischerweise Standard-SMD-Bausteine auf das SMD-Bauteil T aufgebracht werden, typischerweise mit­ tels "Tape & Reel".
Die Verbindung zwischen den Modulen M und der Leiterplatte T geschieht vorzugsweise mittels Reflow-Bondens. Dabei sollte die Schmelztemperatur T2 bei Löten der Standard-SMD-Bumps (z. B. aus PbSn) niedriger sein als die Löttemperatur T1 beim Lö­ ten der Anwendungsbausteine A1, . . ., A4 auf das Substrat S (z. B. unter Verwendung von AuSn als Material der Lötbumps).
Diese Methode setzt keinen Reinraum mehr voraus. Selbstver­ ständlich können auch mehrere Module M auf die SMD-Platine L aufgebracht werden. Daneben können sich auch andere Bauele­ mente auf dem SMD-Bauteil befinden, z. B. ein Mikroprozessor.
Dieses Herstellungsverfahren weist den Vorteil auf, das eine höchstfrequenztaugliche Verbindung zwischen am SMD-Bauteil T hergestellt wird. Auch können so viele Einzelfunktionen auch unterschiedlicher Technologie, z. B. Module aus Si, GaAs, InP, Keramik, LTCC usw., zu einem funktions- und kostengüns­ tigen Bauteil zusammengefügt werden.
Das Verfahren ist nicht auf eine bestimmte Art der Module o­ der SMD-Bauteile beschränkt. Durch Zusammenführen der Modul- und der SMD-Fertigung ist es möglich, Hoch- und Höchstfre­ quenzanwendungen und Niederfrequenzanwendungen auf einem Bau­ teil zu realisieren, und dabei nur die notwendigen Arbeits­ schritte unter verschärften Bedingungen (Reinraum) herzustel­ len.
Allgemein ist dabei die Idee anwendbar, aufwendige Prozess­ schritte (für Höchstfrequenzanwendungen etc.) auf ein Min­ destmaß zu reduzieren und Standard-Prozessschritte möglichst umfassend einzusetzen.

Claims (20)

1. Substrat (S), aufweisend
mindestens eine erste Isolierlage (1),
mindestens eine Hochfrequenz-Strukturlage (4), die ein Hochfrequenz-Verteilernetzwerk beinhaltet,
mindestens eine Niederfrequenz-Strukturlage (3), in die eingangsseitig ein Spannungssignal einspeisbar ist,
wobei
die Hochfrequenz-Strukturlage (4) von der Niederfrequenz- Strukturlage (3) durch die Isolierlage (1) getrennt ist.
2. Substrat (S) nach Anspruch 1, bei dem mindestens eine zweite Isolierlage (2) auf der ersten Iso­ lierlage (1) aufliegt.
3. Substrat (S) nach Anspruch 2, bei dem mehr als zwei Isolierlagen (1, 2, 6, 7, 9) aufeinander gestapelt angebracht sind, wobei zwischen jeder Isolierlage (1, 2, 6, 7, 9) eine Strukturlage (3, 4, 5, 10) vorhanden ist.
4. Substrat (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Isolierlage (1, 2, 6, 7, 9) mindestens ein LTCC-Grundmaterial aufweist.
5. Substrat (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hochfrequenz-Strukturlage (4) an einer Außenfläche des Substrats (S) angebracht ist.
6. Substrat (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektromagnetische Wirkverbindung zwischen mindestens zwei Strukturlagen (3, 4, 5, 10) vorhanden ist, insbesondere mittels mindestens einer Durchkontaktierung (D) oder mittels mindestens einer Wellenleitung.
7. Substrat (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wel­ ches eingangsseitig mindestens ein Flip-Chip-Kontaktpad (FCK) aufweist.
8. Substrat (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wel­ ches mindestens ein mit der Hochfrequenz-Strukturlage (4) verbundenes Flip-Chip-Kontaktpad, insbesondere ein Finepitch- Flip-Chip-Kontaktpad (FPK), aufweist.
9. Substrat (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hochfrequenz-Strukturlage (4) mindestens einen Wel­ lenleiter, insbesondere einen Mikrostreifen-Wellenleiter und/oder einen koplanaren Wellenleiter, aufweist.
10. Modul (M), aufweisend ein Substrat (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mit mindestens einem Anwen­ dungselement (A1, . . ., A4) bestückt ist, welches mit der Hoch­ frequenz-Strukturlage (4) in Wirkverbindung steht.
11. Modul (M) nach Anspruch 10 bis 12, bei dem das mindestens eine Anwendungselement (A1, . . ., A4) mit einem Wellenleiters, insbesondere einem Mikrostreifen-Wellenleiter oder einem Koplanar-Wellenleiter, der Hochfrequenz- Strukturlage (4) in Wirkverbindung steht.
12. Modul (M) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem der mindestens eine Anwendungsbaustein (A1, . . ., A4) mittels Flip-Chip-Bondens, insbesondere Finepitch-Flip-Chip-Bondens, mit der Hochfrequenz-Strukturlage (4) verbunden ist.
13. Modul (M) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem mindestens ein Anwendungsbaustein (A1, . . ., A4) ein Frequenz- Generator oder ein Verstärker ist.
14. Modul (M), nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem das mindestens eine Anwendungsbaustein (A1, . . ., A4) von einem Deckel (8) abgedeckt ist.
15. Modul (M), nach einem der Ansprüche 10 bis 10, welches eingangsseitig mindestens ein Flip-Chip-Kontaktpad (FCK) auf­ weist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Moduls (M) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei dem mindestens ein Anwendungsbaustein (A1, . . ., A4) mittels Flip- Chip-Technik, insbesondere Finepitch-Flip-Chip-Technik, auf das Substrat (S) gebondet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das mindestens eine Anwendungsbaustein (A1, . . ., A4) mittels Flip-Chip-Lötens auf das Substrat (S) gebondet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, bei dem die Anwendungsbausteine (A1, . . ., A4) in "bare chip"-Form zu­ geführt werden.
19. Verfahren zur Herstellung eines SMD-Bauteils (T), bei dem unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 17 oder 18 mindestens ein Modul (M) mittels Flip-Chip-Technik, insbesondere unter Verwendung einer Ball-Grid-Array-Methode, auf das SMD-Bauteil (T) gebondet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Modul (M) mittels Flip-Chip-Lötens auf das SMD-Bauteil (T) gebondet wird, wobei eine Löttemperatur (T2) niedriger ist als eine Löttemperatur (T1) zum Bonden des mindestens ei­ nen Anwendungselementes (A1, . . ., A4) auf das Substrat (S).
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