EP1958000A1 - Moduleinheit für eine radar-antennenanordnung mit integriertem hf-chip - Google Patents
Moduleinheit für eine radar-antennenanordnung mit integriertem hf-chipInfo
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- EP1958000A1 EP1958000A1 EP06819349A EP06819349A EP1958000A1 EP 1958000 A1 EP1958000 A1 EP 1958000A1 EP 06819349 A EP06819349 A EP 06819349A EP 06819349 A EP06819349 A EP 06819349A EP 1958000 A1 EP1958000 A1 EP 1958000A1
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- EP
- European Patent Office
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- module unit
- chip
- focusing element
- unit according
- focusing
- Prior art date
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
- G01S7/032—Constructional details for solid-state radar subsystems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
- H01Q13/20—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
- H01Q13/24—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave constituted by a dielectric or ferromagnetic rod or pipe
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
- Y10T29/49826—Assembling or joining
Definitions
- the invention relates to a modular unit and a focusing element for a radar
- Antenna arrangement and a corresponding radar antenna arrangement according to the preambles of the respective independent claims. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a modular unit according to the preamble of the accompanying independent claim.
- a radar antenna arrangement with an HF chip is disclosed in EP 1 121 726 B1.
- the HF chip has transmitting / receiving elements in the form of a known microwave structure.
- the arrangement furthermore comprises a so-called "polyrod”, ie a dielectric emission or prefocusing element (focusing element) arranged in the beam path of the antenna arrangement in front of each antenna element, eg a stem radiator, by means of which a better illumination of a dielectric lens (resonator) and thus pre-focusing of the light source Radar beam is achieved.
- Deviations from the ideal mounting position cause an over-irradiation of the lens, a missing angle of the radiated wave or an increased electromagnetic coupling between adjacent polyrods in multi-beam systems.
- the distance between the surface of the microwave conductor structure and the underside of the polyrode is freely adjustable by means of a spacer in a range between 0 and 0.2 mm.
- Said SMT (Surface Mount Technology) technique is known to allow direct solder mounting of components on a printed circuit board (PCB). In this component, however, no Stielstrahler with a resonator is available.
- the module unit according to the invention comprises a mounting device or cut parts, by means of the focusing elements of different antenna or radiation characteristics simply attached to the module unit, for example. Clipped or plugged on the module unit can be. This has the advantage that only relatively late in the assembly line, the particular application of such a radar antenna array can be set, i. with which focusing element the module unit for the respective radar antenna application is to be equipped.
- Said mounting device in turn comprises position and clip devices, by means of which, for example, a focusing element designed as a stalk radiator with a focusing element of any desired beam characteristic, which has matching position and clip elements to the module unit, can be mounted.
- the invention thus results in a radar antenna arrangement with a universal and with one or more radiators different beam characteristics fitted module unit proposed which can be produced by means of simple and inexpensive PCB assembly, similar to the SMT components described above.
- the HF chip with integrated antenna patch preferably has contact surfaces for flip-flops.
- Chip bumps by means of which the RF chip can be easily mounted on the module unit.
- the flip-chip bumps can be applied either on the chip or on the chip-mounting conductor element.
- the module unit is composed of a 2-1 / 2
- An alternative production method of the modular unit according to the invention is the known flip-chip technique of the RF chip on a flexible printed circuit board Chip-containing circuit board is doing in a corresponding plastic part with a flat or only in one
- the module unit formed from an HF chip and a focusing element (preferably: stem radiator) is fastened to a carrier, preferably inserted into the carrier, such that the back side of the HF chip forms thermal contact with the carrier.
- the thermal contact can be improved by an appropriate gluing or soldering.
- the HF chip is fastened to the correspondingly designed stalk radiator, preferably clipped into the stalk radiator.
- a low-cost NF printed circuit board is arranged, which is broken in the said area. The necessary electrical contacting of the RF chip contacts to the PCB then takes place with conventional NF-wire bonds. This area is then shed so that the first available space wg.
- the desired distance between the RF chip and the resonator is filled on the stem radiator.
- the electrical contacts of the RF chip are not covered in this procedure by the focusing element (preferably: Stielstrahler) and there are no galvanic connections between the RF chip and the Stielstrahler.
- the untreated RF chip is fastened to a carrier with a pedestal, preferably glued to the carrier or soldered to it.
- the carrier also serves as a heat sink.
- the Stielstrahler with resonator is then positioned over the RF chip in the carrier so plugged that the Stielstrahler be supported with its spacers on ground pads of the RF chip.
- the chip is contacted with conventional wire bonds with the circuit board and then shed.
- the contacting can be done before or after the installation of the stem radiator.
- an RF unit is formed with standard technologies within an electronic circuit.
- a modular unit according to the invention can be operated in a preferred frequency range of approximately 70-140 GHz.
- FIG. 1 a shows an oblique top view from above on an already manufactured modular unit according to the invention
- FIG. 1b is a sectional view of the modular unit shown in FIG. 1a;
- FIG. Fig. 2a, b also oblique top views of a erfmdungswashe module unit before (a) the erf ⁇ ndungsdorfen production and assembly, in an exploded view, and after (b) the erf ⁇ ndungsdorfen assembly including a mounted Stielstrahlers (focusing);
- FIG. 3a - c also oblique plan views of a erfmdungshiele
- FIG. 4 is an oblique view from below of a second embodiment (see said second preferred approach) of a focussing element according to the invention with positioning supports and clip devices for the installation of an HF chip;
- the module unit produced in the present case for printed circuit board technology and shown in different views in FIGS. 1a and 1b and 2a and 2b comprises a radio-frequency (RF) chip 100 with an integrated antenna patch not visible in the illustration and partially visible in the sectional drawing FIG Flip-chip bumps 160 and with a formed from a metal stamping heat sink 105th
- RF radio-frequency
- the stem radiator shown in FIG. 2 in particular has a focusing element made of a dielectric material
- the focusing element 200 predetermined beam characteristic with the base body 110 matching position devices 205 and clip devices 210.
- the focusing element 200 consists of a conical radiating element 215 with a "radiator foot" 217 arranged toward the RF chip 100.
- the radiating element 215 is resiliently arranged on two double webs 220 running in the middle.
- Fig. 2a also arranged in the radiator foot casting channel 225 is seen for casting in vacuum.
- the RF chip 100 with an antenna patch already integrated in a manner known per se and the aforementioned flip-chip bumps is firstly installed ("flipped in") in the carrier part 110 of the module unit and is therefore not visible in FIG
- all low frequency (NF) contacts to the contact pins 125 of the RF chip 100 are already finished at the level of the conductor of the support member 110, above the antenna patch of the RF chip, a corresponding Resonatorpatch same made with, without additional cost.
- Chips 100 are coated with either solder paste or adhesive, e.g. using the known dispensing stamp printing technique.
- the heat sink 105 is inserted and glued or soldered to the back of the RF chip 100.
- the focusing element 200 is fastened on the carrier part 110 in such a way that the clip connection shown for example in FIG. 2 b is improved by means of the clip devices 210 with respect to their x, y positioning accuracy in that the clip devices 210 are arranged on a movable spring 220 Function part exist.
- the structural unit now present (FIG. 1 a) is then potted with the potting compound 135 from the rear side as free of voids as possible, preferably under the vacuum conditions already mentioned.
- Suitable casting compounds are (soft) silicone gel or (hard) epoxy resin, since the basically existing damping effect of the potting compound 135 in the very small gap of about 100 microns between the RF chip 100 and the resonator (see, eg, Fig. 7a , Reference numeral '700') shows no measurable disadvantage.
- FIG. 1b shows the module unit for the sake of simplicity without the
- the module unit from the bottom of a circuit board 800 via corresponding openings in the circuit board 800, by means of conventional pin-hole
- the beam characteristic of the focusing element 200 can be arbitrarily specified. Examples of possible different embodiments of the focusing element 200 or of the preferably conical emitting element 215 are shown in FIGS. 3 a - 3 c.
- the respective upper partial images of FIGS. 3a-3c show the respective focusing elements 200 prior to their installation in the carrier part 110 and the respective lower partial images show the respective arrangement of the focusing elements 200 after their installation in the carrier part 110.
- the focusing elements 200 are preferably and advantageously arranged after the printed circuit boards - Mounting of the support member 110 clipped to the support member 110 by means of the clip devices 210 and then shed the Strahlerfuß 217 in the cast pot 150. Alternatively, the installation can take place before the circuit board assembly of the support part 110.
- FIGS. 3a-3c differ essentially by the respectively different configuration of the cone-shaped radiating element 215 and the respective radiator foot 217.
- FIG. 3a shows the focusing element 200, each with already cast radiator foot 217, whereas FIGS and 3c represent the focusing element 200 without potting compound.
- the focusing element 200 shown in FIG. 3a corresponds to the embodiment shown in FIGS. 2a and 2b.
- the conical shape of the conical radiating element 215 is opposite to that shown in FIG. 3a.
- the cone-shaped radiating element 215 is longitudinally stretched. Due to this design of the radiating element 215, the horizontal webs in FIG. 3a are degenerated into (vertical) posts 220 '.
- the embodiment of the focusing element 200 shown in FIG. 3 c has a radiating element 215 similar to FIG. 3b (also longitudinally stretched), which, however, is in a direction orthogonal to FIG Direction is also formed longitudinally stretched.
- the radiating element 215 is also fastened to a hexagonal arrangement of webs 220 ", which in turn pass over vertical webs 220" into the clip devices 210.
- the focusing element 200 comprises the said webs 220 and 420, which extend outward parallel to the surface of the HF chip 100 and extend outwards.
- the webs 220 each have the relatively short post 220 'with horizontal positioning devices Level.
- the webs 420 are executed in the embodiment variant according to the figures 4 to 7 as a spring to a lying outside the RF chip surface (not shown) attachment.
- the spring is dimensioned so that spacers 715 the underside of the focusing element 200 in a defined small distance, z. B. 150 microns, to the patch elements on the RF chip 100 supported, with length tolerance chains collected and lifting by axial vibrations is prevented. It is also advantageous that below the spacers 715 on the RF chip 100th
- Conductor surfaces are arranged, which are connected via vias in the RF chip 100 to the ground and thus prevent harmful electrostatic charges.
- these ground conductor surfaces are chosen to be so large that, in the case of all positional tolerances of the focusing element 200, the bearing surface of the spacing supports 715 do not protrude beyond these conductor surfaces.
- the carrier part 110 in the second and third exemplary embodiments is made of a good heat-conducting (preferably metallic) material (as in the first exemplary embodiment, FIG. for providing a heat sink), eg Zn, Al, Mg die-cast metal or steel in MIM technology, advantageously with a die-sized pedestal 145.
- a good heat-conducting (preferably metallic) material as in the first exemplary embodiment, FIG. for providing a heat sink
- eg Zn, Al, Mg die-cast metal or steel in MIM technology advantageously with a die-sized pedestal 145.
- the HF chip 1 OO is glued or soldered to the pedestal 145.
- the carrier part 110 is preferably treated beforehand correspondingly galvanically.
- Attachment for the focusing element 200 since the production can be done together with the pedestal 145 on a machine tool.
- the position positioning by means of bores, which are made to fit the pins of the attachment.
- the holes and pins can be designed to each other as a press or clearance fit. In the first case, the parts are pressed together during assembly, glued at the clearance.
- An alternative method of attachment is the already described method using clip fasteners for the focusing element 200.
- Embodiments of the inventive module unit in which the RF chip 100 is glued or soldered to the support member 110 and then the plastic part with the focusing element (in the present case a stem radiator) 200 is precisely positioned and mounted on the support member 110 precisely, the pedestal 145 similar as shown in FIG. 6 for precise positioning of the RF chip 100 is used.
- the RF chip 100 is glued or soldered to the support member 110 and then the plastic part with the focusing element (in the present case a stem radiator) 200 is precisely positioned and mounted on the support member 110 precisely, the pedestal 145 similar as shown in FIG. 6 for precise positioning of the RF chip 100 is used.
- the pedestal 145 similar as shown in FIG. 6 for precise positioning of the RF chip 100 is used.
- the embodiment of the focusing element 200 shown in FIG. 4 has, in addition to the functional elements known in the prior art, such as the spacer pins arranged toward the surface of the HF chip 100, for example.
- Springs, fixing pins 400, 405 or clip fasteners additionally have xy positioning supports 410, 415 for receiving the HF chip 100, by means of which the focusing element 200 can be precisely positioned with respect to the four side surfaces of the HF chip 100.
- Focusing element 200 is designed so that the area necessary for the electrical contacting surface remains freely accessible via the RF chip 100.
- the HF chip 100 is first glued into the focusing element 200 or clamped by means of the positioning supports 410, 415 shown in FIG. 4.
- the said positioning supports 410, 415 can be embodied as a clip at least in one direction of the two directions (x and y direction), which then also serve for the clamp fastening.
- the distance supports 715 by means of which a precise distance of the resonator 700 to the antenna element on the surface of the RF chip 100 can be achieved without additional effort.
- positioning pins 405 may be designed as clearance fit, so that there is no depth stop between the focusing element 200 and the support member 110 after assembly.
- at least one further pin 400 (“clip pin”) is attached to a spring 420 separated from the positioning pin 405.
- Corresponding counter-holes (“clip holes”) (not shown) are arranged in the carrier part 110.
- the axes of clip pin 400 and associated clip hole are arranged offset so that deform during assembly, the clip pins 400 with the spring 420 and hooked to the relatively sharp-edged undersides of the clip hole and thus the focusing element 200 is securely attached to the support member 110 ,
- the clip pins 400, the positioning pins 405 and the clip holes in the present exemplary embodiment are provided with a corresponding clip stop 425 relative to the carrier part.
- the length of the clip pins 400 is then selected so that the surface 425 arranged towards the spring 420 at the end of a clip pin 400 and the surface of the clip pin 400
- the positioning pins 405 are preferably formed so long that they are automatically inserted into the respective clip holes of the support member 110 during assembly of the clip pins 400.
- a single positioning pin 405 and / or its spring 420 are designed stronger against the respective clip pin 400 and its spring 420, so that a decoupling of the position of the clip function is ensured.
- the support member 110 After complete assembly, the support member 110, as already mentioned, potted. On the back of the support member 110, a Vergussstopp 600 is arranged. In this embodiment, the above-described adhesive between the focusing element 200 and the support member 110 may be omitted. Said required mechanical processing of the pedestal 145 and the positioning pins 405 and the
- Clip holes may also advantageously be from the same side, i. without rotation of the support member 110, take place. Depending on the manufacturing method of the support member 110, a mechanical post-processing can be completely eliminated.
- the above-described RF chip has its own antenna structure, i. the one of the
- HF chip supplied high-frequency signals are not routed via said bonds or said flip-chip technology to a arranged on said circuit board distribution network.
- particularly executed bond variants would be just tolerated at 77 GHz, but not possible at 122 GHz, since the signal is almost completely reflected by the bond.
- the circuit board can therefore be made from the most cost-effective conventional fabric (FR4).
- the module units according to the invention each have a second resonator patch 700 (visible central rectangle in FIGS. 2b, 4, 7a and 7b) arranged at a defined distance above the RF chip 100, which is mounted on a dielectric substrate, e.g. a Kapton film 730 with a Cu conductor layer is applied.
- the substrate in turn is at its bottom with a suitable dielectric substrate, e.g. a Kapton film 730 with a Cu conductor layer is applied.
- the substrate in turn is at its bottom with a suitable dielectric substrate, e.g. a Kapton film 730 with a Cu conductor layer is applied.
- the substrate in turn is at its bottom with a suitable
- Carrier part which also comprises a focusing element 200, fixedly connected, e.g. bonded.
- the film 730 corresponding position holes 740 which correspond to the spacers 715 of the focusing element 200.
- the second resonator patch also directly on the underside of the carrier part
- the application of the required thin conductor layers with a thickness of ⁇ 50 ⁇ m on said plastic injection-molded parts can be carried out by known methods, such as the already mentioned 3D-MID method, which is used e.g. the two processes include hot stamping technology and tampo printing technology.
- FIGS. 5a-5c show different plan views of the embodiment of the focusing element 200 shown in FIG. 4, specifically FIG. 5a shows the focusing element 200 with already inserted HF chip 100 obliquely from above and FIG. 5b obliquely from below.
- FIG. 5 c shows the installed module, the focusing element 200 and the RF chip 100 in a plan view from above.
- FIG. 5c also shows the arrangement of the bond contacts 500 of the HF chip to the printed circuit board. Since the HF chip 100 is adhesively bonded to the carrier part 110, the said adhesive can be applied on the rear side of the HF chip 100 after being inserted or clamped in such a way that it simultaneously wets the positioning supports 410, 415 and thus the
- HF chip 100 in the focusing element 200 permanently positioned. Both the RF chip 100 and the focusing element 200 are fastened together on the carrier part 110 in this exemplary embodiment.
- the adhesive for the RF chip 100 may alternatively be previously applied to the present metallic pedestal 145. For a fixation With a clearance fit and thus necessary adhesive between the focusing element 200 and the support member 110, the adhesive may be applied to either the focusing element 200 or the support member 110 prior to assembly.
- PCB 800 is filled with a potting compound.
- FIGS. 6a and 6b show the focusing element 200 already shown in FIG. 5c in two orthogonal sectional views, wherein FIG. 6a shows a stepped section along the two cutting axes A 'shown in FIG. 5c and offset parallel to one another. and, B 'and Fig. 6b represent a section in the section C, also shown in Fig. 5c.
- a heat sink and reference numeral 600 a housing bottom, another circuit board or an extra part with the function of the casting stop.
- the focusing element 200 is inserted at the top of a support member 110 shown in Figures 6a and 6b by means of two position pins 405 in correspondingly provided position holes. Thereafter, the contacting of the RF chip 100 with the printed circuit board 800 takes place via the contact pins (bonds) 500. In the following, as already described, the air-filled space is filled up with the potting compound 135.
- FIGS. 7a and 7b show two exemplary embodiments of the focusing element 200, in which a resonator 700 is positioned above a not yet installed HF chip 100.
- the resonator 700 which is located on a separate carrier foil 730, is glued into the focusing element 200.
- the four spacers 715 which is a given
- FIG. 7 b shows an exemplary embodiment in which the resonator 700 is printed directly on the focusing element 200.
- 710 are arranged, each consisting of a base part 710 with a built-in above, not visible bore 720 and a molded or fitted from below clip or dowel pin 705 together.
- the attachment of the focusing element 200 in the (not shown) support member 110 with the mounted RF chip 100 is carried out on the said dowel pins 705 by means of the overlying bore and formed on the top of the base member 710 flat surface for an assembly tool.
- the springs 420 have a pure assembly function. This ensures that the spacers 715 rest on the RF chip before casting.
- the potting compound then embeds the complete unit, a spring holding force is no longer necessary.
- Fig.7b and the spring arms 420 are largely embedded. As a result of the embedding, in particular mechanical vibrations are suppressed, which would otherwise lead to undesired forces on the stylus resonator 200 and the surface of the HF chip 100.
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Abstract
Die offenbarte Moduleinheit für eine Radar-Antennenanordnung mit einem integrierten HF-Chip (100) mit wenigstens einem eine Mikrowellenstruktur aufweisendes Antennenelement, mit einem im Strahlengang der Radar-Antennenanordnung vor dem wenigstens einen Antennenelement angeordneten Fokussierelement (200), mittels dessen eine verstärkte Ausleuchtung des HF-Chips (100) erreicht wird, weist insbesondere eine Anbauvorrichtung (115, 120) auf, mittels der Fokussierelemente (200) unterschiedlicher Antennencharakteristik an die Moduleinheit angebaut werden können. Die Anbauvorrichtung ist bevorzugt durch Befestigungsmittel wie Klemmvorrichtungen (120), Steckvorrichtungen oder dergleichen gebildet. Zusätzlich können Positionsvorrichtungen (115) angeordnet sein, mittels derer das Fokussierelement (200) mit der erforderlichen Präzision an die Moduleinheit angebaut werden kann.
Description
Moduleinheit für eine Radar-Antennenanordnung mit integriertem HF-Chip
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Moduleinheit und ein Fokussierelement für eine Radar-
Antennenanordnung sowie eine entsprechende Radar-Antennenanordnung gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Moduleinheit nach dem Oberbegriff des zugehörigen unabhängigen Anspruchs.
Eine Radar- Antennenanordnung mit einem HF-Chip geht aus der EP 1 121 726 Bl hervor. Der HF-Chip weist Sende-/Empfangselemente in Form einer an sich bekannten Mikrowellenstruktur auf. Die Anordnung umfasst ferner ein sogenanntes „Polyrod", d.h. einen im Strahlengang der Antennenanordnung vor jedem Antennenelement angeordneten dielektrischen Abstrahl- bzw. Vorfokussierkörper (Fokussierelement), z.B. einen Stielstrahler, mittels dessen eine bessere Ausleuchtung einer dielektrischen Linse (Resonator) und somit eine Vorfokussierung des Radarstrahls erreicht wird.
Eine einwandfreie Funktion eines solchen Fokussierelementes ist nur dann gewährleistet, wenn dieses in Bezug auf den HF-Chip exakt positioniert ist, denn selbst geringe
Abweichungen von der idealen Einbauposition bewirken eine Überstrahlung der Linse, einen Fehlwinkel der abgestrahlten Welle oder eine erhöhte elektromagnetische Kopplung zwischen benachbarten Polyrods bei Mehrstrahlsystemen. Bei der dort beschriebenen Radar- Antennenanordnung ist der Abstand zwischen der Oberfläche der Mikrowellenleiterstruktur und der Unterseite des Polyrods mittels eines Abstandhalters in einem Bereich zwischen 0 und 0,2 mm frei einstellbar.
Es ist ferner bekannt, den HF-Chip mit integrierter Antenne wie ein übliches SMT- Leiterplattenbauelement auf ein Stangitter aufzubringen, den Chip über Bonddrähte mit den Anschlüssen zu kontaktieren und den so aufgebrachten Chip anschließend mittels einer Vergussmasse einzubetten. Die genannte SMT (Surface Mount Technology) Technik ermöglicht bekanntermaßen eine direkte Lötbefestigung von Bauelementen auf einer bedruckten Leiterplatte (PCB). Bei diesem Bauteil ist allerdings kein Stielstrahler mit einem Resonator vorhanden.
Es ist wünschenswert, eine Moduleinheit bereitzustellen, in welche ein vorbeschriebener HF-Chip integriert werden kann, wobei die eingangs genannten hohen Anforderungen an die Positionsgenauigkeit erfüllt sind. Gleichzeitig soll eine möglichst einfache Montage in beispielsweise der genannten SMT -Technik oder der ebenfalls dem Fachmann an sich geläufigen Lochkontakttechnik auf einer kostengünstigen bedruckten Leiterplatte ermöglicht werden.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Moduleinheit umfasst eine Einbauvorrichtung oder -schnittsteile, mittels der Fokussierelemente unterschiedlicher Antennen- oder Abstrahlcharakteristik einfach an die Moduleinheit angebracht, bspw. auf die Moduleinheit aufgeclipst oder aufgesteckt, werden können. Dies hat den Vorteil, dass erst relativ spät in der Montagelinie die jeweilige Anwendung einer solchen Radar- Antennenanordnung festgelegt werden kann, d.h. mit welchem Fokussierelement die Moduleinheit für die jeweilige Radar- Antennenanwendung zu bestücken ist.
Die genannte Einbauvorrichtung umfasst wiederum Positions- und Clipvorrichtungen, mittels derer bspw. ein als Stielstrahler ausgebildetes Fokussierelement mit einem Fokussierelement beliebiger Strahlcharakteristik, welcher zur Moduleinheit passende Positions- und Clipelemente aufweist, angebaut werden kann.
Erfindungsgemäß wird somit im Ergebnis eine Radar- Antennenanordnung mit einer universell und mit einem oder mehreren Strahlern unterschiedlicher Strahlcharakteristik
bestückbare Moduleinheit vorgeschlagen, welche mittels einfacher und kostengünstiger Leiterplattenmontage herstellbar ist, und zwar ähnlich wie bei den eingangs beschriebenen SMT-Bauelementen.
Der HF-Chip mit integriertem Antennenpatch weist bevorzugt Kontaktflächen für Flip-
Chip-Bumps auf, mittels derer der HF-Chip sehr einfach auf die Moduleinheit montiert werden kann. Die Flip-Chip-Bumps können dabei entweder auf dem Chip oder auf dem Chip-Montage-Leiterelement aufgebracht sein.
Gemäß einem ersten bevorzugten Lösungsansatz wird die Moduleinheit aus einem 2-1/2-
MID-SMT-Kunststoffteil mit „eingefliptem" HF-Chip unter Verwendung einer Wärmesenke und einer Vergussmasse hergestellt. Eine alternative Herstellungsmethode der erfmdungsgemäßen Moduleinheit stellt die an sich bekannte Flip-Chip-Technik des HF-Chips auf einer flexiblen Leiterplatte dar. Die den HF-Chip aufweisende Leiterplatte wird dabei in ein entsprechendes Kunststoffteil mit einer ebenen oder nur in einer
Richtung gekrümmten Fläche eingeklebt und kontaktiert. Eine Wärmesenke wird in entsprechend ausgebildete Ausnehmungen des Kunststoffsteils so eingeklebt, dass zur Rückseite des HF-Chip ein Wärmekontakt gebildet wird. Die Moduleinheit wird schließlich durch eine Vergussmasse vervollständigt.
Gemäß einem zweiten bevorzugten Lösungsansatz wird die aus einem HF-Chip und einem Fokussierelement (bevorzugt: Stielstrahler) gebildete Moduleinheit so an einem Träger befestigt, bevorzugt in den Träger eingesteckt, dass die Rückseite des HF-Chips einen Wärmekontakt mit dem Träger bildet. Der Wärmekontakt kann dabei durch eine entsprechende Klebung oder Lötung noch verbessert werden. Der HF-Chip wiederum wird dabei an den entsprechend ausgestalteten Stielstrahler befestigt, und zwar bevorzugt in den Stielstrahler eingeclipst. Auf dem Träger ist gleichzeitig eine kostengünstige NF- Leiterplatte angeordnet, welche in dem genannten Bereich durchbrochen ist. Die notwendige elektrische Kontaktierung von den HF-Chip-Kontakten zur Leiterplatte erfolgt dann mit herkömmlichen NF-Drahtbonds. Dieser Bereich wird dann so vergossen, dass der zunächst vorhandene Freiraum wg. des gewünschten Abstandes zwischen HF- Chip und dem Resonator auf dem Stielstrahler gefüllt wird. Hier hat man kein SMT- Bauelement und die Strahlcharakteristik ist von vornherein durch den Stielstrahler festgelegt.
Die elektrischen Kontakte des HF-Chips werden bei dieser Vorgehensweise vom Fokussierelement (bevorzugt: Stielstrahler) nicht überdeckt und es entstehen auch keine galvanischen Verbindungen zwischen dem HF-Chip und dem Stielstrahler.
Gemäß einem dritten bevorzugten Lösungsansatz wird der unbehandelte HF-Chip an einem Träger mit Podest positioniert befestigt, bevorzugt an den Träger angeklebt oder auf diesen gelötet. Der Träger dient dabei ebenfalls als Wärmesenke. Der Stielstrahler mit Resonator wird danach über den HF-Chip in den Träger positioniert so eingesteckt, dass der Stielstrahler sich mit seinen Distanzhaltern auf Massepads des HF-Chips abstützen.
Der Chip wird mit herkömmlichen Drahtbonds mit der Leiterplatte kontaktiert und dann vergossen. Die Kontaktierung kann vor oder nach der Montage des Stielstrahlers erfolgen. Hier liegt kein HF-Modul vor, sondern eine HF-Einheit wird mit Standardtechnologien innerhalb einer Elektronikschaltung gebildet.
Eine erfindungsgemäße Moduleinheit kann in einem bevorzugten Frequenzbereich von ca. 70 - 140 GHz betrieben werden.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend, unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, anhand von Ausführungsbeispielen eingehender beschrieben, aus denen weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervorgehen. In der Zeichnung sind identische oder funktionell gleiche Merkmale mit identischen Bezugszeichen referenziert.
In der Zeichnung zeigen im Einzelnen
Fig. 1 a eine schräge Draufsicht von oben auf eine bereits gefertigte erfindungsgemäße Moduleinheit;
Fig. Ib eine Schnittansicht der in der Fig. Ia gezeigten Moduleinheit;
Fig. 2a, b ebenfalls schräge Draufsichten auf eine erfmdungsgemäße Moduleinheit vor (a) der erfϊndungsgemäßen Fertigung und Montage, und zwar in einer Explosionsdarstellung, und nach (b) dem erfϊndungsgemäßen Zusammenbau einschließlich eines montierten Stielstrahlers (Fokussierelement);
Fig. 3a - c ebenfalls schräge Draufsichten auf eine erfmdungsgemäße
Moduleinheit mit drei unterschiedlichen Stielstrahlern (a - c) vor (oben) und nach (unten) deren Einbau in die Moduleinheit;
Fig. 4 eine schräge Ansicht von unten auf ein zweites Ausführungsbeispiel (siehe genannter zweiter bevorzugter Lösungsansatz) eines erfϊndungsgemäßen Fokussierelementes mit Positionierstützen und Clipvorrichtungen für den Einbau eines HF-Chips;
Fig. 5a - c drei verschiedene Ansichten eines erfϊndungsgemäßen Fokussierelementes gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (siehe genannter zweiter bevorzugter Lösungsansatz) mit eingelegtem HF-Chip von oben (a), mit eingelegtem HF- Chip und Klebeschicht von unten (b) und eines in ein erfϊndungsgemäßes Trägerteil mit Podest montiertes und bereits elektrisch kontaktiertes Fokussierelement von oben (c);
Fig. 6a, bzwei Schnittansichten (a, b) eines fertig montierten und bereits vergossenen
Fokussierelementes gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (siehe genannter zweiter bevorzugter Lösungsansatz); und
Fig. 7a, bein Ausführungsbeispiel des erfϊndungsgemäßen Fokussierelementes gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel (siehe genannter dritter bevorzugter Lösungsansatz) mit einem auf Folie gedruckten und einzuklebendem Resonator (a) und mit einem direkt auf das Fokussierelement gedruckten Resonator (b).
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die vorliegend für Leiterplattentechnik gefertigte, in den Figuren Ia und Ib sowie 2a und 2b in verschiedenen Ansichten dargestellte Moduleinheit umfasst einen Hochfrequenz- (HF-)Chip 100 mit in der Darstellung nicht sichtbarem, integriertem Antennenpatch und mit in der Schnittzeichnung Fig. Ib teilweise sichtbaren Flip-Chip-Bumps 160 sowie mit einer aus einem Metallstanzteil gebildeten Wärmesenke 105.
Der HF-Chip 100 und eine Wärmesenke 105 sind auf einem Grundkörper (im Folgenden „Trägerteil") 110 angeordnet, welcher aus einem aus PEI (= Polyeterimide) gefertigten
Kunstoffspritzgussteil hergestellt ist und welcher definierte Positionsvorrichtungen 115 und Clipvorrichtungen 120 für ein hier nicht gezeigtes Fokussierelement (in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Stielstrahler - siehe Bezugszeichen ,200' in den Figuren 2a und 2b) aufweist.
Die Positions- 115 und Clipvorrichtungen 120 sind mechanisch mit den eingebrachten Kontaktpins 125 mit den aus mittels 2-1/2-Mold Injected Devices(=MID) hergestellten Leiterstrukturen 130 verbunden. Sämtliche Funktionselemente sind flächen- und raumsparend ineinander verschachtelt angeordnet. Der in der Fig. 2 gezeigte Stielstrahler weist insbesondere ein aus einem dielektrischen Material hergestellten Fokussierelement
200 vorgegebener Strahlcharakteristik mit zum Grundkörper 110 passenden Positionsvorrichtungen 205 und Clipvorrichtungen 210 auf. Das Fokussierelement 200 besteht aus einem kegelförmigen Abstrahlelement 215 mit einem zum HF-Chip 100 hin angeordneten „Strahlerfuß" 217. Das Abstrahlelement 215 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel federnd an zwei mittig zulaufenden Doppelstegen 220 angeordnet.
In der Fig. 2a ist ferner der im Strahlerfuss angeordnete Gusskanal 225 für den Verguss im Vakuum zu sehen.
Der HF-Chip 100 mit in an sich bekannter Weise bereits integriertem Antennenpatch und den genannten Flip-Chip-Bumps wird zunächst in das Trägerteil 110 der Moduleinheit eingebaut („eingeflipt") und ist daher in der Fig. 1 a nicht sichtbar. Die Flip-Chip- Technik besitzt an sich bereits die notwendige gute Positionstoleranz. Neben dem berührungslosen HF-Patch-Resonatorübergang sind auch alle Niederfrequenz-(NF- )Kontakte zu den Kontaktpins 125 des HF-Chips 100 bereits fertig hergestellt. Dabei wird
auf der Ebene des Leiters des Trägerteils 110, und zwar oberhalb des Antennenpatches des HF-Chips, ein entsprechendes Resonatorpatch gleich mit gefertigt, und zwar ohne Zusatzkosten.
Eine der Berührungsflächen zwischen der Wärmesenke 105 oder der Rückseite des HF-
Chips 100 wird entweder mit Lotpaste oder Klebstoff beschichtet, z.B. unter Anwendung der an sich bekannten Dispensstempeldrucktechnik. In das mit entsprechenden Ausnehmungen und dem HF-Chip 100 versehene Trägerteil 110 wird die Wärmesenke 105 eingelegt und mit der Rückseite des HF-Chips 100 verklebt oder verlötet.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Fokussierelement 200 derart am Trägerteil 110 befestigt, dass die beispielsweise in der Fig. 2b dargestellte Clipverbindung mittels der Clipvorrichtungen 210 hinsichtlich ihrer x,y- Positioniergenauigkeit dadurch verbessert ist, dass die Clipvorrichtungen 210 aus einem an beweglichen Federn 220 angeordneten Funktionsteil bestehen.
Die jetzt vorliegende Baueinheit (Fig. Ia) wird anschließend mit der Vergussmasse 135 von der Rückseite möglichst lunkerfrei vergossen, bevorzugt unter den bereits genannten Vakuumbedingungen. Als Vergussmassen kommen beispielsweise (weiches) Silikongel oder (harter) Epoxyharz in Betracht, da die grundsätzlich bestehende dämpfende Wirkung der Vergussmasse 135 in dem sehr kleinen Spalt von ca. 100 μm zwischen dem HF-Chip 100 und dem Resonator (siehe z.B. Fig. 7a, Bezugszeichen ,700') keinen messbaren Nachteil zeigt.
Die Fig. Ib zeigt übrigens die Moduleinheit zu Vereinfachungszwecken ohne die
Vergussmasse 135 und ohne die Wärmeverbindung zwischen dem HF-Chip 100 und der Wärmesenke 105.
Alternativ kann die Moduleinheit von der Unterseite einer Leiterplatte 800 über entsprechende Durchbrüche in der Leiterplatte 800, und zwar mittels üblicher Pin-Loch-
Verbindungen, eingesteckt und erst danach mit den sonstigen Elektronikbauelementen verlötet werden. Der an einem Kunststoffteil angeordnete Stielstrahler wird in die Positionselemente der Moduleinheit aufgesteckt und „eingeclipst".
Schließlich wird in einen Gusstopfund Gusskanal 150 des Trägerteils 110, an dem der Strahlerfuß 217 des Abstrahlelementes 215 im Wesentlichen zentriert angeordnet ist (Fig. 2b), eine weitere (hier nicht gezeigte) Vergussmasse mit definierter Menge eingebracht. Diese weitere Vergussmasse steigt auch im Fuß des Abstrahlelementes an den entsprechenden Kanälen hoch, so dass sich kein Luftspalt zwischen dem Trägerteil 110 und dem Abstrahlelement 215 ausbildet.
Die Strahlcharakteristik des Fokussierelementes 200 ist beliebig vorgebbar. Beispiele für mögliche unterschiedliche Ausgestaltungen des Fokussierelementes 200 bzw. des bevorzugt kegelförmigen Abstrahlelementes 215 sind in den Figuren 3 a - 3 c gezeigt. Die jeweils oberen Teilbilder der Figuren 3a - 3c zeigen die jeweiligen Fokussierelemente 200 vor deren Einbau in das Trägerteil 110 und die jeweils unteren Teilbilder die jeweilige Anordnung der Fokussierelemente 200 nach deren Einbau in das Trägerteil 110. Die Fokussierelemente 200 werden bevorzugt und vorteilhaft nach der Leiterplatten- Montage des Trägerteils 110 an dem Trägerteil 110 mittels der Clipvorrichtungen 210 eingeclipst und im Anschluss daran der Strahlerfuß 217 im Gusstopf 150 vergossen. Alternativ kann der Einbau vor der Leiterplatten-Montage des Trägerteils 110 erfolgen.
Die in den Figuren 3a - 3c gezeigten Ausführungsformen des Fokussierelementes 200 unterscheiden sich im Wesentlichen durch die jeweils unterschiedliche Ausgestaltung des kegelförmigen Abstrahlelementes 215 und des jeweiligen Strahlerfüsses 217. Die Fig. 3a zeigt das Fokussierelement 200 mit jeweils bereits vergossenem Strahlerfuß 217, wohingegen die Figuren 3b und 3c das Fokussierelement 200 jeweils ohne Vergussmasse wiedergeben.
Das in der Fig. 3a gezeigte Fokussierelement 200 entspricht der in den Figuren 2a und 2b gezeigten Ausgestaltung. Bei dem in der Fig. 3b gezeigten Fokussierelement 200 ist der konische Verlauf des kegelförmigen Abstrahlelementes 215 umgekehrt zu dem in der Fig. 3 a gezeigten Verlauf. Wie aus dem unteren Teilbild von Fig. 3b besser zu ersehen, ist das kegelförmige Abstrahlelement 215 längs gestreckt ausgebildet. Aufgrund dieser Bauform des Abstrahlelementes 215 sind die in der Fig. 3a horizontalen Stege zu (senkrechten) Pfosten 220' entartet. Das in der Fig. 3 c gezeigte Ausführungsbeispiel des Fokussierelementes 200 weist ein zur Fig. 3b ähnliches (ebenfalls längs gestrecktes) Abstrahlelement 215 auf, welches allerdings in einer gegenüber der Fig.3b orthogonalen
Richtung ebenfalls längs gestreckt ausgebildet ist. Das Abstrahlelement 215 ist zudem an einer sechseckigen Anordnung von Stegen 220" befestigt, welche wiederum über senkrechte Stege 220" in die Clipvorrichtungen 210 übergehen.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen umfasst das Fokussierelement 200 die genannten, zur Oberfläche des HF-Chips 100 hin planparallel nach außen abgehenden Stege 220 bzw. 420. An diesen Stegen 220 befindet sich jeweils der relativ kleine bzw. kurze Pfosten 220 'mit Positionseinrichtungen für die horizontale Ebene. Die Stege 420 sind in der Ausgestaltungsvariante gemäß den Figuren 4 bis 7 als Feder zu einer außerhalb der HF-Chipoberfläche liegenden (nicht gezeigten) Befestigung ausgeführt.
Die Feder ist so dimensioniert, dass Abstandstützen 715 die Unterseite des Fokussierelementes 200 in definiert geringem Abstand, z. B. 150 μm, zu den Patchelementen auf dem HF-Chip 100 abstützen, wobei Längentoleranzketten aufgefangen und ein Abheben durch axiale Schwingungen unterbunden wird. Vorteilhaft ist dabei auch, dass unterhalb der Abstandstützen 715 auf dem HF-Chip 100
Leiterflächen angeordnet sind, die jeweils über Durchkontaktierungen im HF-Chip 100 mit der Masse verbunden sind und somit schädliche elektrostatische Aufladungen verhindern. Diese Masseleiterflächen sind dabei so groß gewählt, dass bei allen Lagetoleranzen des Fokussierelementes 200 die Auflagefläche der Abstandstützen 715 nicht über diese Leiterflächen hinausragen. Die elektrische Kontaktierung des HF-Chips
100 mit außerhalb liegenden NF- und ZF-Schaltungen erfolgt über einfache Bondverbindungen 500, wobei neben den Gleichstrom- Versorgungsspannungen nur niederfrequente Signale übertragen werden und damit die Leiterplatte aus einem kostengünstigen Material wie z.B. „FR4" gefertigt sein kann.
Die Befestigung der Stege 220 des Fokussierelementes 200 erfolgt in den genannten Ausführungsbeispielen jeweils auf demselben Trägerteil 110, auf dem auch der HF-Chip 100 montiert ist. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, in dem das Trägerteil aus PEI hergestellt ist, ist das Trägerteil 110 in dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel (Figuren 4-6 und Figur 7) aus einem gut wärmeleitenden (bevorzugt metallischen) Material hergestellt (wie im ersten Ausführungsbeispiel, zur Bereitstellung einer Wärmesenke), z.B. Zn, Al-, Mg-Druckgussmetall oder Stahl in MIM-Technologie, vorteilhaft mit einem der Chipgröße angepassten Podest 145. Damit wird eine sonst sehr kostspielige Montagepositionierung des HF-Chips 100 auf eine sehr präzise und dennoch
preisgünstige Fertigung des Trägerteils 110 verlagert. Der HF-Chip 1 OO wird auf das Podest 145 aufgeklebt oder aufgelötet. Um den HF-Chip 100 auflöten zu können, wird das Trägerteil 110 bevorzugt vorher entsprechend galvanisch behandelt.
Ebenso kostengünstig und passgenau ist eine z- und x/y-Lagepositionierung der
Befestigung für das Fokussierelement 200, da die Fertigung zusammen mit dem Podest 145 auf einer Werkzeugmaschine erfolgen kann. In einem solchen Ausführungsbeispiel erfolgt die Lagepositionierung mittels Bohrungen, welche passgenau für die Stifte der Befestigung hergestellt sind. Die Bohrungen und Stifte können dabei zueinander als Press- oder Spielpassung ausgelegt sein. Im ersten Fall werden die Teile bei der Montage miteinander verpresst, bei der Spielpassung verklebt. Eine hierzu alternative Befestigungsmethode ist die bereits beschriebene Methode unter Verwendung von Clipbefestigungen für das Fokussierelement 200.
Die in den Figuren 7a - 7b gezeigten Fokussierelemente entsprechen
Ausführungsbeispielen der erfmdungsgemäßen Moduleinheit, bei denen der HF-Chip 100 auf das Trägerteil 110 aufgeklebt bzw. aufgelötet wird und dann das Kunststoffteil mit dem Fokussierelement (vorliegend ein Stielstrahler) 200 darüber auf das Trägerteil 110 präzise positioniert und montiert wird, wobei das Podest 145 ähnlich wie in der Fig. 6 zur präzisen Positionierung des HF-Chips 100 dient. Bei einem kostengünstigen Al- oder
Mg-Druckgussteil muss, um eine Genauigkeit von einigen 10 μm zu erreichen, die Befestigungslöcher nach der Druckgussherstellung in x- und y-Richtung am Podestrand nachbearbeitet werden. Um diese Nachbearbeitung allerdings auf ein Minimum zu reduzieren oder sogar gänzlich zu vermeiden, weist das in der Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel des Fokussierelementes 200 neben den im Stand der Technik bekannten Funktionselementen wie bspw. den zur Oberfläche des HF-Chips 100 hin angeordneten Abstandsstiften, Federn, B efestigungs stiften 400, 405 bzw. Clipbefestigungen zusätzlich x-y-Positionierstützen 410, 415 zur Aufnahme des HF- Chips 100 auf, mittels derer das Fokussierelement 200 in Bezug auf die vier Seitenflächen des HF-Chips 100 präzise positioniert werden kann. Die Geometrie des
Fokussierelementes 200 wird dabei so ausgelegt, dass die für die elektrische Kontaktierung notwendige Fläche über dem HF-Chip 100 frei zugänglich bleibt.
Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wird die aufgrund des typischen
Frequenzbereiches von Radarwellen im Bereich von bevorzugt 77 GHZ bis 122 GHz erforderliche hohe mechanische Genauigkeit der Teile dennoch erreicht, obwohl die Montage gegenüber dem Stand der Technik einfacher und kostengünstiger ist. Auch ist es vorteilhaft, dass die genannte Randnachbearbeitung des Podests 145 auf dem Trägerteil 110 entfällt.
Auf eine mechanische Nachbearbeitung des metallischen Trägerteils 110 kann ganz verzichtet werden, wenn dieses Teil vorteilhaft entweder mit der Zn-Druckguss- oder MIM-Technologie hergestellt wurde. Denn Teile, welche mit diesen beiden Verfahren hergestellt wurden, haben bereits die erforderten geringen Fertigungstoleranzen.
Gemäß dem in der Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der HF-Chip 100 zunächst in das Fokussierelement 200 eingeklebt oder mittels der in der Fig. 4 gezeigten Positionierstützen 410, 415 eingeklemmt. Die genannten Positionierstützen 410, 415 können dabei wenigstens in einer Richtung der beiden Richtungen (x- und y-Richtung) als Clip ausgeführt sein, die dann auch der Klemmbefestigung dienen. Wird auf die Klemmbefestigung verzichtet, wobei die Lagetoleranz des HF-Chips 100 zum Resonator dennoch ausreichend gut ist, kann an geeigneter Stelle am Fokussierelement 200 oder am HF-Chip 100 eine geringe Menge Klebstoff angebracht werden, um den HF-Chip 100 unlösbar zu befestigen. Hierbei vorteilhaft sind die Abstandstützen 715, mittels derer ohne zusätzlichen Aufwand ein präziser Abstand des Resonators 700 zum Antennenelement auf der Oberfläche des HF-Chips 100 erreicht werden kann.
Die an den jeweiligen Enden der Federn 420 angeordneten Positionierstifte 405 können als Spielpassung ausgelegt sein, so dass sich zwischen dem Fokussierelement 200 und dem Trägerteil 110 nach deren Montage kein Tiefenanschlag ergibt. Neben einem Positionierstift 405 ist wenigstens ein weiterer Stift 400 („Clipstift") an einer vom Positionierstift 405 getrennten Feder 420 angebracht. In dem Trägerteil 110 sind entsprechende (nicht gezeigte) Gegenlöcher („Cliplöcher") angeordnet. Dabei sind die Achsen von Clipstift 400 und zugeordnetem Clip loch so versetzt angeordnet, dass sich bei der Montage die Clipstifte 400 mit der Feder 420 verformen und an den relativ scharfkantig ausgeführten Unterseiten des Cliplochs verhaken und damit das Fokussierelement 200 an dem Trägerteil 110 sicher befestigt ist.
Zur Vereinfachung des Einbaus des jeweiligen Fokussierelementes 200 sind die Clipstifte 400, die Positionierstifte 405 und die Cliplöcher in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zueinander mit einem entsprechenden Clip-Anschlag 425 zum Trägerteil versehen. Die Länge der Clipstifte 400 ist dann so gewählt, dass sich die zur Feder 420 hin angeordnete Fläche 425 am Ende eines Clipstiftes 400 und die Fläche des
Trägerteils 110 berühren. Mittels dieser Montageanschläge wird sichergestellt, dass die Federn 420 nicht überdehnt werden können und später bei der Montage der Moduleinheit in das Trägerteil 110 der HF-Chip 100 dennoch mit seiner Rückseite auf dem Podest 145 des Trägerteils 110, welches auch die Wärmesenke bildet, aufliegt. Die Positionierstifte 405 sind bevorzugt so lang ausgebildet, dass sie bei der Montage der Clipstifte 400 automatisch in die jeweiligen Cliplöcher des Trägerteils 110 eingeführt werden. Ein einzelner Positionierstift 405 und/oder seine Feder 420 werden gegenüber dem jeweiligen Clipstift 400 und dessen Feder 420 kräftiger ausgelegt, so dass eine Entkopplung der Positions- von der Clipfunktion gewährleistet ist.
Nach der vollständigen Montage wird das Trägerteil 110, wie bereits erwähnt, vergossen. Auf der Rückseite des Trägerteils 110 ist ein Vergussstopp 600 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der vorbeschriebene Klebstoff zwischen dem Fokussierelement 200 und dem Trägerteil 110 entfallen. Die genannte erforderliche mechanische Bearbeitung des Podests 145 sowie der Positionierstifte 405 und der
Cliplöcher kann ebenfalls vorteilhaft von der gleichen Seite her, d.h. ohne Drehung des Trägerteils 110, erfolgen. Je nach Fertigungsverfahren des Trägerteils 110 kann eine mechanische Nachbearbeitung ganz entfallen.
In der in Fig.4 gezeigten Ausgestaltung werden statt des oben beschriebenen mindestens einen Clipstiftes 400 neben jedem Positionsstift 405 je zwei Clipstifte 400 angeordnet. Dadurch ergibt sich eine symmetrische Kraftverteilung am Fokussierelement und auf den HF-Chip.
Der vorbeschriebene HF-Chip weist eine eigene Antennenstruktur auf, d.h. die von dem
HF-Chip gelieferten hochfrequenten Signale werden nicht über die genannten Bonds oder die genannte Flip-Chip-Technik zu einem auf der genannten Leiterplatte angeordneten Verteilernetzwerk geführt. Selbst mit teuren und aufwändigen Bonds würden sich generell in dem genannten Frequenzbereich zunehmend schlechtere Eigenschaften
ergeben. So wären z.B. besonders ausgeführte Bondvarianten bei 77 GHz gerade noch verträglich, bei 122 GHz jedoch überhaupt nicht mehr möglich, da das Signal durch den Bond praktisch vollständig reflektiert wird. Die Leiterplatte kann daher aus dem kostengünstigsten herkömmlichen Stoff (FR4) hergestellt sein.
Bei allen Ausführungsbeispielen weisen die erfindungsgemäßen Moduleinheiten jeweils ein in definiertem Abstand über dem HF-Chip 100 angeordnetes zweites Resonator-Patch 700 (sichtbares mittiges Rechteck in den Figuren 2b, 4, 7a und 7b) auf, welches auf einem dielektrischen Substrat, z.B. einer Kaptonfolie 730 mit einer Cu-Leiterschicht, aufgebracht ist. Das Substrat wiederum ist an seiner Unterseite mit einem geeigneten
Trägerteil, das ebenfalls ein Fokussierelement 200 umfasst, fest verbunden, z.B. verklebt. Dabei weist die Folie 730 entsprechende Positionslöcher 740 auf, die mit den Abstandstützen 715 des Fokussierelementes 200 korrespondieren.
Alternativ kann das zweite Resonator-Patch auch direkt an der Unterseite des Trägerteils
110 angeordnet bzw. dort aufgebracht sein. Die Aufbringung der erforderlichen dünnen Leiterschichten mit einer Dicke < 50 μm auf den genannten Kunststoffspritzgussteilen kann mittels bekannten Verfahren wie den bereits genannten 3D-MID-Verfahren durchgeführt werden, welche z.B. die beiden Verfahren Heißprägetechnik und Tampoprinttechnik umfassen.
Die Figuren 5a - 5c zeigen unterschiedliche Draufsichten des in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiels des Fokussierelementes 200, und zwar zeigt die Fig. 5a das Fokussierelement 200 mit bereits eingelegtem HF-Chip 100 von schräg oben und die Fig. 5b von schräg unten. Die Fig. 5c zeigt das eingebaute Modul, das Fokussierelement 200 und den HF-Chip 100 in einer Draufsicht von etwa oben. In der Fig. 5c ist auch die Anordnung der Bondkontakte 500 des HF-Chips zur Leiterplatte ersehen. Da der HF- Chip 100 am Trägerteil 110 verklebt wird, kann der genannte Klebstoff nach dem Einlegen bzw. nach dem Einklemmen auf der Rückseite des HF-Chips 100 so aufge- bracht werden, dass er gleichzeitig die Positionierstützen 410, 415 benetzt und somit den
HF-Chip 100 im Fokussierelement 200 unlösbar positioniert. Sowohl der HF-Chip 100 als auch das Fokussierelement 200 werden in diesem Ausführungsbeispiel zusammen an dem Trägerteil 110 befestigt. Der Klebstoff für den HF-Chip 100 kann auch alternativ zuvor auf das vorliegend metallische Podest 145 aufgebracht sein. Bei einer Befestigung
mit Spielpassung und damit notwendigem Klebstoff zwischen dem Fokussierelement 200 und dem Trägerteil 110 kann der Klebstoff vor der Montage entweder auf dem Fokussierelement 200 oder dem Trägerteil 110 aufgebracht werden. Der mit Luft gefüllte Raum zwischen dem Trägerteil 110, dem Fokussierelement 200, dem HF-Chip 100, der Füße der Bondkontakte 500 auf dem HF-Chip bis zur Ebene der Oberkante der
Leiterplatte 800 wird mit einer Vergussmasse ausgefüllt.
Die Figuren 6a und 6b zeigen das in der Fig. 5c dargestellte, auf das Trägerteil 110 bereits montierte Fokussierelement 200 in zwei orthogonalen Schnittansichten, wobei die Fig. 6a einen Stufenschnitt entlang der beiden in der Fig. 5c dargestellten gegeneinander parallel versetzten Schnittachsen ,A' und ,B' und die Fig. 6b einen Schnitt in der ebenfalls in der Fig. 5c dargestellten Schnittaches ,C darstellen. Mit Bezugszeichen 110 ist in den beiden Figuren 6a und 6b eine Wärmesenke referenziert und mit Bezugszeichen 600 ein Gehäuseboden, eine weitere Leiterplatte oder auch ein Extrateil mit der Funktion des Gussstopps. In dieser Darstellung sind in der Fig. 6a insbesondere die NF-
Kontaktpins 500 des HF-Chips 100 und der seitliche Verlauf der Federn 420 sowie der Clipstifte 400 und Positionierstifte 405 zu ersehen.
In einem Montageschritt wird das Fokussierelement 200 an der Oberseite eines in den Figuren 6a und 6b dargestellten Trägerteils 110 mittels zweier Positionsstifte 405 in entsprechend vorgesehene Positionslöcher eingesteckt. Danach erfolgt die Kontaktierung des HF-Chips 100 mit der Leiterplatte 800 über die Kontaktpins (Bonds) 500. Im Folgenden wird wie bereits beschrieben der mit Luft gefüllte Raum mit der Vergussmasse 135 aufgefüllt.
Die Figuren 7a und 7b zeigen schließlich zwei Ausführungsbeispiele des Fokussierelementes 200, bei denen ein Resonator 700 oberhalb eines noch nicht eingebauten HF-Chips 100 positioniert wird. In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 7a wird der Resonator 700, der sich auf einer separaten Trägerfolie 730 befindet, in das Fokussierelement 200 eingeklebt. Die vier Abstandstützen 715, die einen vorgegebenen
Abstand zu dem HF-Chip 100 definieren, bilden mittels der Positionslöcher (Durchbrüche) 740 gleichzeitig x-, y-Positionierstifte für die Folie 730 und den Resonator 700.
Die Figur 7b zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Resonator 700 direkt auf das Fokussierelement 200 aufgedruckt ist. Am Ende zweier symmetrisch zum Abstrahlelement 215 angeordneter und als Federn ausgebildeter Stege 420 sind Pfosten 705, 710 angeordnet, welche sich jeweils aus einem Basisteil 710 mit einer von oben eingearbeiteten, nicht sichtbaren Bohrung 720 und einem von unten her angespritzen oder eingepassten Clip- oder Passstift 705 zusammensetzen. Die Befestigung des Fokussierelementes 200 in das (nicht dargestellte) Trägerteil 110 mit dem montierten HF- Chip 100 erfolgt anhand der genannten Passstifte 705 mittels der darüberliegenden Bohrung und der an der Oberseite des Basisteils 710 ausgebildeten Planfläche für ein Montagewerkzeug.
Die Federn 420 besitzen eine reine Montagefunktion. Damit wird gewährleistet, dass die Abstandstützen 715 vor dem Vergießen auf dem HF-Chip aufliegen. Die Vergussmasse bettet dann die komplette Einheit ein, eine Federhaltekraft ist nicht mehr nötig. Bei Fig.7b sind auch die Federarme 420 weitgehend eingebettet. Durch die Einbettung werden insbesondere mechanische Schwingungen unterdrückt, welche sonst zu unerwünschten Kräften auf den Stielresonator 200 und die Oberfläche des HF-Chips 100 führen würden.
Claims
1. Moduleinheit für eine Radar- Antennenanordnung mit einem integrierten HF-
Chip (100) mit wenigstens einem eine Mikrowellenstruktur aufweisendes Antennenelement, mit einem im Strahlengang der Radar- Antennenanordnung vor dem wenigstens einen Antennenelement angeordneten Fokussierelement (200), mittels dessen eine verstärkte Ausleuchtung des HF-Chips (100) erreicht wird, gekennzeichnet durch eine Anbauvorrichtung (115, 120), mittels der Fokussierelemente (200) unterschiedlicher Antennencharakteristik an die Moduleinheit angebaut werden können.
2. Moduleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Radar- Antennenanordnung zwischen dem HF-Chip (100) und dem Fokussierelement (200) ein Resonator (700) angeordnet ist.
3. Moduleinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierelement (200) und/oder ein Resonatorträger (730) aus einem Dielektrikum gefertigt sind/ist.
4. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierelement (200) durch einen Stielstrahler mit beliebiger Antennencharakteristik gebildet ist.
5. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbauvorrichtung durch mechanische Befestigungsmittel (120) gebildet ist, mittels derer das Fokussierelement (200) und/oder der HF-Chip (100) bevorzugt lösbar mit der Moduleinheit verbunden werden kann.
6. Moduleinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (120) durch Klemmvorrichtungen, Steckvorrichtungen oder dergleichen gebildet sind.
7. Moduleinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Positioniervorrichtungen (115) angeordnet sind, mittels derer das Fokussierelement (200) mit der erforderlichen Präzision an die Moduleinheit angebaut werden kann.
8. Moduleinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniervorrichtungen (115) durch Klemmvorrichtungen, Steckvorrichtungen oder dergleichen gebildet sind.
9. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Chip (100) Flip-Chip-Bumps aufweist, mittels derer der HF- Chip (100) in die Moduleinheit eingebaut werden kann.
10. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Fertigung aus einem 2-1/2-MID-SMT-Kunststoffteil mit eingefliptem HF- Chip.
11. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Trägerteil (110), welches aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, bevorzugt aus Zn-, Al- oder Mg-Druckgussmetall oder aus einem Metall mit geringer thermischer Längenausdehnung, wobei das Trägerteil (110) mittels MID-Technik (Metall-Injected-Devices) hergestellt wird.
12. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein an die Größe des HF-Chips (100) angepasstes Podest (145) als Einbauhilfe beim Einbau des HF-Chips (100).
13. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (120) und/oder die Positioniervorrichtungen (115) mit wenigstens einem Clip- Anschlag (425) versehen sind.
14. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (120) jeweils zweifach angeordnet sind, um eine symmetrische Kraftverteilung am Fokussierelement (200) und am HF-Chip (100) zu gewährleisten.
15. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen in vorgegebenem Abstand zum HF-Chip (100) angeordneten zweiten
Resonator.
16. Moduleinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Resonator auf einem dielektrischen Substrat aufgebracht ist.
17. Moduleinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Substrat mit einem dielektrischen Trägerteil, welches ebenfalls ein Fokussierelement (200) umfasst, verbunden ist.
18. Moduleinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite
Resonator direkt an der Unterseite des dielektrischen Trägerteils (110) angeordnet ist.
19. Moduleinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Substrat mit dem Resonator (700) durch vorzugsweise vier Abstandshalter (715) zum HF-Chip (100) hin positioniert ist.
20. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierelement 200 mittels einer Feder gehalten ist, welche in eine Vergussmasse (135) eingebettet ist.
21. Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Bauelemente und Funktionselemente flächen- und raumsparend ineinander verschachtelt angeordnet sind.
22. Fokussierelement (200) zur Verwendung in einer Moduleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anbauvorrichtung (115, 120) mittels der das Fokussierelement an die Moduleinheit angebaut werden kann.
23. Fokussierelement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die
Anbauvorrichtung durch Befestigungsmittel (120) gebildet ist, mittels derer das Fokussierelement (200) lösbar mit der Moduleinheit verbunden werden kann.
24. Fokussierelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die
Befestigungsmittel (120) durch Clipvorrichtungen, Steckvorrichtungen oder dergleichen gebildet sind.
25. Fokussierelement nach Anspruch 23 oder 24, gekennzeichnet durch Positionsvorrichtungen (115), mittels derer das Fokussierelement (200) mit der erforderlichen Präzision an die Moduleinheit angebaut werden kann.
26. Fokussierelement nach einem der Ansprüche 22 bis 25, gekennzeichnet durch seine Fertigung aus einem Dielektrikum.
27. Fokussierelement nach einem der Ansprüche 22 bis 26, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Stielstrahler mit beliebiger Antennencharakteristik.
28. Fokussierelement nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Fokussierelemente (200) sich durch eine unterschiedliche räumliche
Ausgestaltung eines kegelförmigen Abstrahlelementes (215) und eines Strahlerfusses (217) unterscheiden.
29. Fokussierelement nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das kegelförmige Abstrahlelement (215) längs gestreckt ausgebildet ist.
30. Radar-Antennenanordnung mit einem integriertem HF-Chip, gekennzeichnet durch eine Moduleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 21 und/oder ein Fokussierelement nach einem der Ansprüche 22 bis 29.
31. Verfahren zur Herstellung einer Moduleinheit für eine Radar- Antennenanordnung mit einem integriertem HF-Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierelement (200) mittels der Anbauvorrichtung (115, 120) an die Moduleinheit angebaut wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass ein dielektrisches Trägerteil (110) der Moduleinheit auf die Oberseite einer Leiterplatte mittels wenigstens zweier Positionsstifte (140) befestigt wird.
33. Verfahren nach Anspruch 11, 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktpins (125) und Leiterstrukturen (130) in ein Trägerteil (110) eingebracht werden, welches mittels 2-1/2-Mold Injected Devices(=MID) hergestellt wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator
(700) zusammen mit den Leiterstrukturen (130) gefertigt wird.
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