DE3934224A1 - Anordnung zur mikrowellen-integration - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Mikrowellen- Integration gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Unter einer "Streifenleitung" (strip line) zur Leitung von hochfrequenten Signalen versteht man eine Anordnung, bei der eine (metallische) Leiterbahn auf die Oberseite eines (quasi-)isolierenden Substrats aufgebracht wird, während die Gegenseite dieses Substrates, d. h. die Unterseite, voll metallisiert ist. Die sich ausbreitende Feld-Konfiguration der elektromagnetischen Felder erlaubt damit eine geführte Wellenleitung, wobei die Dimensionen der Anordnung (Breite der Leiterbahn auf der Oberfläche, Dicke des Substrates) und die Dielektrizi­ tätskonstanten für den Wellenwiderstand (charak­ teristische Impedanz) verantwortlich sind.

"Koplanarleitungen" bestehen aus einem Mittelleiter im Sinne der oben beschriebenen Streifenleitung, der beid­ seitig von Außenleitern, (geerdeten) Grund-Elektroden, umgeben ist. Vorteilhaft gegenüber der Streifenleitung ist, daß die Dispersion, d. h. die frequenzabhängige Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit, verringert wird, weswegen höherfrequente Impulse formgetreuer übertragen werden können. Bei der Wellenführung spielt die Dicke des Substrates keine wesentliche Rolle mehr; weiterhin sind hier nicht absolute Dimensionen der An­ ordnung, sondern nur relative Größenverhältnisse von Bedeutung. Daher kann beispielsweise die Breite der Leitung stark aufgeweitet werden, so daß man einen nor­ malen Stecker zur Verbindung mit der "äußeren Welt", beispielsweise in Form einer Koaxialleitung, ohne stö­ rende Reflexionen anbringen kann.

Oft werden aktive Bauelemente in Streifenleitungen bzw. koplanaren Leitungen integriert; diese Bauelemente müs­ sen mit zusätzlichen Potentialen (Gleichstromversor­ gung), beispielsweise für die Einstellung ihrer Ar­ beitspunkte, versorgt werden. Des weiteren müssen Fil­ terglieder bzw. Trennglieder, beispielsweise Trennspu­ len, vorgesehen werden, die zur Entkopplung des hoch­ frequenten Schaltungsteils vom niederfrequenten bzw. zur Gleichstromversorgung erforderlichen Schaltungsteil dienen.

Die für diese Zwecke benötigten Bauelemente werden üb­ licherweise auf der die aktiven Bauelemente tragenden Seite des Substrats angeordnet.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform nach dem Stand der Technik, bei der eine Streifenleitung 4 auf dem isolierenden Substrat 1 mit der zugehörigen ganzflächi­ gen Rückseiten-Metallisierung 5 das HF-mäßige Leitungs­ system darstellt. Die Gleichstromzuführung 7 für die Einspeisung eines Zusatzpotentials zur Festlegung des Arbeitspunkts eines, in der Fig. 1 nicht dargestell­ ten, aktiven Bauelements, beispielsweise eines FET- Chips, erfolgt über einen Kapazitätsbelag 8 sowie eine dünne λ/4-Zuleitung 9. Außerdem ist in der Streifenlei­ tung 4 ein Trennkondensator-Chip 6 angeordnet, der zur Trennung des HF-Leitungsystems von der niederfrequenten Gleichstromversorgung dient.

Derartige integrierte Hochfrequenz-Schaltungen sind nur relativ großflächig herstellbar; werden die zur Poten­ tialversorgung und zur Entkopplung benötigten Bauele­ mente zusätzlich zu den aktiven Bauelementen auf der gleichen Oberflächenseite des Substrats angeordnet, ist jedoch ein noch wesentlich höherer Flächenbedarf erfor­ derlich, woraus hohe Kosten und technologische Schwie­ rigkeiten resultieren.

Überdies müssen unterschiedliche Technologien einge­ setzt werden, um einerseits die Streifenleitung bzw. koplanare Leitung (Leiterbahnbreite beispielsweise 100 µm) und andererseits die sehr schmalen Leiterbahnen der Trennglieder bzw. Zuleitungen zu strukturieren (Leitungsbreite einer Trennspule beispielsweise 5 µm).

Durch die planare Nachbarschaft von Hochfrequenzteil und Niederfrequenzteil treten elektrische Kopplungen auf, so daß die elektrischen Eigenschaften derartiger Schaltungen den Anforderungen im Höchstfrequenz-Bereich nicht genügen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anord­ nung zur Leitung von hochfrequenten Signalen anzugeben, bei der diese Nachteile vermieden werden.

Dies wird im Sinne einer dreidimensionalen Integration erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf der gegen­ überliegenden Oberflächenseite des Substrats ein Schal­ tungsteil angeordnet ist, der integrierte Bauelemente zur Gleichstromversorgung der aktiven Bauelemente sowie Bauelemente zur Entkopplung vom Hochfrequenzschaltungs­ teil enthält.

Nach der Erfindung ist vorgesehen, daß beim Aufbau ei­ ner komplexen integrierten Hochfrequenzschaltung die Rückseite des Substrats miteinbezogen wird. Hierzu wird auf der Oberseite des Substrats die eigentlich aktive Beschaltung (Leitungen, Bauelemente, Koppelglieder, in den Leitungszweigen anzuordnende Ohmsche Widerstände usw.) vorgenommen, während auf der Rückseite des Sub­ strates der niederfrequente Schaltungsteil (beispiels­ weise Stromversorgung, Trennspulen) vorgesehen ist.

Das Einbeziehen der Substrat-Rückseite erlaubt eine wesentliche Reduzierung der Gesamt-Geometrie der Schal­ tung, und somit auch der erforderlichen Substratfläche; auch das Design entsprechender Schaltungen wird er­ leichtert.

Die Verbindungen von der Oberseite zur Unterseite kön­ nen mittels Durchkontaktierungen ("via-holes") einfach vorgenommen werden.

Bei koplanaren Leitungen ist die Beschaltung mit akti­ ven Bauelementen sehr erleichtert, weil die Massepunkte direkt neben den aktiven Polen kontaktierbar sind. Des­ weiteren kann der Mittelleiter verbreitert werden, was eine Anpassung beispielsweise an einen Koaxialstecker am Rande der Schaltung stark erleichtert.

Die Beschaltung der Substrat-Unterseite ist so auszule­ gen, daß sie für die auf der Oberseite vorliegende HF- Schaltung wechselstrommäßig entweder weitgehend entkop­ pelt ist oder eine Kurzschlußfläche (Erdung) darstellt. Das letztere ist insbesondere dann wichtig, wenn die Unterseite, wie etwa bei der Streifenleitung, mit in die Hochfrequenzleitung einbezogen ist. Dann ist es erforderlich, daß die Zuleitungs-Leiterbahnen ein­ schließlich etwaiger Spulen und sonstiger Komponenten, ähnlich wie eine koplanare Leitung ausgestaltet wird; das heißt, freie Flächen der Unterseite des Substrates müssen metallisiert bzw. geerdet sein, um den Leitungs­ charakter der Streifenleitung nicht zu stören.

Bei einer koplanaren Leitung sollte die Dicke des Sub­ strates vorzugsweise mindestens um den Faktor 5 größer sein als der Abstand zwischen Mittelleiter und Außen­ leiter. Dadurch werden hochfrequente Moden innerhalb des Substrates vermieden, welche eine Störung des ver­ lustarmen Leitungsverhaltens der HF-Leitung auf der Oberseite zur Folge hätte.

Die Erfindung und ihre vorzugsweise Ausgestaltung soll nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen be­ schrieben werden.

In der Fig. 2 ist in perspektivischer Ansicht eine Hochfrequenzschaltung mit einer Streifenleitung auf einem isolierenden Substrat dargestellt.

Die Fig. 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Hochfrequenzschaltung mit einer koplanaren Leitung auf einem isolierenden Substrat.

Gemäß der Fig. 2 ist auf der Oberseite 2 eines bei­ spielsweise keramischen Al₂O₃-Substrats 1 eine Strei­ fenleitung 4 angeordnet, in der ein Trennkondensator- Chip 6 angeordnet ist.

Auf der Rückseite 3 des beispielsweise 1,2 mm dicken Substrats 1 ist eine Gleichstromzuführung 7 angeordnet, die über einen Abblockkondensator-Chip 12 mit einem Anschluß einer Trennspule 11 verbunden ist. Der andere Anschluß der Trennspule 10 ist über eine Durchkontak­ tierung 10 mit der Streifenleitung 4 verbunden.

Um den Leitungscharakter der Streifenleitung sicherzu­ stellen, ist die gesamte Rückseite 3 des Substrats 1 mit Ausnahme der ausgesparten Bereiche für die Nieder­ frequenzschaltung mit einer Metallisierung 5 bedeckt.

Eine derartige Anordnung kann beispielsweise bei hybri­ den Mikrowellenschaltungen mit Streifenleitungen reali­ siert werden.

Gemäß der Fig. 3 ist auf der Oberseite 2 eines Sub­ strats 1, das beispielsweise aus semi-isolierendem Gal­ lium-Arsenid besteht und eine Dicke von 0,5 mm auf­ weist, eine koplanare Leitung aus Mittelleiter 15 und zwei Außenleitern 16 angeordnet. Die Leitungen bestehen beispielsweise aus Gold, wobei der Mittelleiter 15 eine Breite von beispielsweise 100 µm aufweist und die Au­ ßenleiter 16 vorzugsweise die gesamte restliche Ober­ fläche 2 bedecken. In den Mittelleiter 15 sind zwei Interdigital-Kondensatoren 14 integriert sowie ein ak­ tives Element 13, beispielsweise ein Transistor-Chip mit erhöhten Kontaktstellen für Upside-down-Montage. Zwei Anschlüsse des Transistor-Chips, der beispielswei­ se ein GaAs-Heterojunction-Bipolartransistor sein kann, sind mit den beiden Außenleitern 16 verbunden; dies ist beispielsweise der Basisanschluß. Emitter- und Kollek­ toranschluß sind mit dem Mittelleiter 15 verbunden, wobei dieser zwischen den beiden Anschlüssen unterbro­ chen ist. Auf der Unterseite 3 des Substrats 1 sind zwei Spiralspulen 11 zur Gleichstromzuführung des Tran­ sistor-Chips 13 vorgesehen, wobei eine Spule am Eingang und eine Spule am Ausgang des Chips 13 über Durchkon­ taktierungen 10 mit dem Mittelleiter 15 der koplanaren Leitung verbunden ist. Die Spulen 11 bestehen bei­ spielsweise aus Gold, wobei beispielsweise fünf Win­ dungen mit einer Streifenbreite von jeweils 100 µm vor­ gesehen sein können.

Zum Anschluß an einen externen Stecker, beispielsweise eine Koaxialleitung, besitzt der Mittelleiter 15 am Rande des Substrates eine Aufweitung 17.

Die genannte Anordnung eignet sich beispielsweise als breitbandiger Koplanarleitungs-Verstärker mit einer Übertragung im Frequenzbereich von 100 MHz bis 18 GHz.

Claims (6)

1. Anordnung zur Mikrowellen-Integration, bei der auf einer Oberflächenseite (2) eines isolierenden bzw. semi-isolierenden Substrates (1) ein Hochfrequenzschal­ tungsteil mit einer aktiven Leitung (4 bzw. 15, 16) sowie integrierten aktiven Bauelementen (6, 13, 14), angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite (3) des Substrats ein Schaltungsteil angeordnet ist, der integrierte Bau­ elemente (12) zur Gleichstromversorgung der aktiven Bauelemente sowie Bauelemente (11) zur Entkopplung vom Hochfrequenzschaltungsteil enthält.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen­ seiten (2, 3) des Substrats (1) über Durchkontaktie­ rungen (10) miteinander verbunden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aktive Leitung (4) auf der Oberflä­ chenseite (2) des Substrats (1) eine Streifenleitung (4) ist, und daß die gesamte gegenüberliegende Sub­ stratoberfläche (3) mit Ausnahme der Bauelemente (10, 11) des dort angeordneten Schaltungsteils und der Gleichstromzuführung (7) mit einer Metallisierung (5) bedeckt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Streifenleitung (4) ein Trennkondensator- Chip (6) integriert ist, daß der unterseitige Schal­ tungsteil aus einer Gleichstromzuführung (7), einem Kondensator-Chip (12) und einer Trennspule (11) be­ steht, und daß ein Anschluß der Spule (12) mit der Gleichstromzuführung (7) und der andere Anschluß über die Durchkontaktierung (10) mit der Streifenleitung (4) verbunden ist (Fig. 2).

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aktive Leitung eine koplanare Leitung ist, die aus Mittelleiter (15) und zwei Außenleitern (16) besteht, und daß die Substratdicke mindestens das Fünffache des Abstands zwischen Mittelleiter (15) und Außenleiter (16) beträgt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Mittelleiter (15) zwei Kondensatoren (14) sowie ein aktives Bauelement (13) integriert sind, daß der Mittelleiter (15) am Rand des Substrats (1) eine Auf­ weitung (17) aufweist, daß auf der Unterseite (3) des Substrats (1) zwei Trennspulen (11) mit Gleichstromzu­ führungen (7) angeordnet sind, wobei diese am Rand des Substrats aufgeweitet sind, und daß die Trennspulen (11) über einen Anschluß mit den Gleichstromzuführungen (7) und über den anderen Anschluß über Durchkontaktie­ rungen (10) mit dem Mittelleiter (15) der koplanaren Leitung verbunden sind (Fig. 3).