Beschreibung

Substrat mit HF-tauglicher Leitung

Beim übergang hin zu hohen Frequenzen werden normale Leiterbahnen durch Streifenleitungen ersetzt, um die erforderliche Isolation zu gewährleisten. Eine solche Streifenleitung umfasst zumindest einen streifenförmigen Signalleiter und zumindest eine Masseebene, zu der der Signalleiter im Abstand verläuft. Möglich sind auch so genannte Triplate-Leitungen, bei denen der Signalleiter zwischen zwei Massenebenen angeordnet ist. Die Streifenleitungen sind vorzugsweise in mehrschichtigen Substraten angeordnet, die jeweils mehrere dielektrische Schichten mit dazwischen angeordneten Metalli- sierungsebenen aufweisen. Massenebenen und Signalleiter sind jeweils in unterschiedlichen übereinander angeordneten Metallisierungsebenen realisiert .

Die Impedanz einer Streifenleitung wird jeweils durch einen kapazitiven und einen induktiven Leitungsbelag bestimmt. Die Impedanz der Streifenleitung ist neben der Permittivität des Substratmaterials im Wesentlichen von der Breite des streifenförmigen Signalleiters und dem Abstand des Signalleiters von der nächstgelegenen Masseebene abhängig. Eine Erniedrigung der Kapazität und damit eine Erhöhung der Impedanz wird erreicht, wenn man die Breite des streifenförmigen Signalleiters reduziert und/oder den Abstand des Signal - leiters von der nächstgelegenen Masseebene erhöht.

In der Praxis wird der Abstand zwischen dem Signalleiter und der nächstgelegenen Masseebene durch die Dicke des mehr- schichtigen Substrats, in dem die Streifenleitung realisiert ist begrenzt, wobei für eine als Triplate-Leitung ausgeführte Streifenleitung maximal die halbe Dicke des Substrats als maximaler Abstand Signalleiter/Masseebene zur Verfügung steht. Auch die Breite des Signalleiters ist technologisch begrenzt, da beispielsweise in keramischen Mehrschichtenbau-

elementen die Leiterbreite nicht beliebig reduziert werden kann.

Sind in einem Mehrschichtsubstrat lange Streifenleitungen bzw. Signalleiter vorgesehen, so kann bei heute für hoch- miniaturisierte Bauelemente und Module gebräuchlichen Substratdicken der die Impedanz der Streifenleitung mitbestimmende Abstand Signalleiter/Masseebene nicht beliebig vergrößert werden. Dies hat zur Folge, dass die Streifenleitung im Substrat oft eine geforderte Normimpedanz von beispielsweise 50 Ohm nicht erreichen kann. Dieses Problem wird verstärkt, wenn wegen der besseren Isolation ausschließlich Triplate-Leitungen im Substrat verwendet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Substrat mit einer für die Führung von HF Signalen geeignete Leitung anzugeben, mit der eine geforderte Impedanz erreicht werden kann, ohne dabei unzulässig die Isolation zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird mit einem Substrat mit einer Leitung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Substrat sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Es wird ein Substrat mit einem mehrschichtigen Aufbau und einer darin realisierten Leitung vorgeschlagen, bei der ein Signalleiter zwischen zwei Massenebenen angeordnet ist. Im Unterschied zu bekannten Streifenleitungen weist jedoch zumindest eine der Masseebenen einen Schlitz auf, der dem Verlauf des Signalleiters folgt.

Auf diese Weise gelingt es, den kapazitiven Belag der Leitung zu reduzieren und damit die Impedanz der Leitung auf einen gewünschten Wert zu erhöhen. über die Breite des Schlitzes kann in einfacher Weise die Kapazität eingestellt werden. Dabei ist das Isolationsniveau der neuen Leitung gegenüber einer bekannten Triplate Streifenleitung nur leicht reduziert .

Der Schlitz ist vorteilhaft über dem Signalleiter zentriert, da auf diese Weise ein maximaler Effekt erreicht wird.

Vorzugsweise ist sowohl die Breite des Signalleiters als auch die Schlitzbreite über den gesamten Verlauf konstant und wird lediglich durch erforderliche Durchkontaktierungen unterbrochen. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Impedanz der Leitung über deren gesamte Länge annähernd konstant bleibt.

Im Substrat kann eine Verschaltung realisiert sein, die mehrere Leitungen bzw. eine Leitung mit mehreren Signal - leitern oder Signalleiterabschnitten erfordert. Vorteilhaft ist jedem Signalleiter oder Signalleiterabschnitt ein Schlitz zugeordnet, der in einer benachbarten Masseebene angeordnet ist und dem Signalleiter über zumindest einen großen Anteil dessen gesamter Länge folgt. Möglich ist es auch, in beiden Masseebenen je einen dem Signalleiter folgenden Schlitz vorzusehen. Die Schlitzbreite in erster und zweiter Masseebene kann dabei unterschiedlich gewählt sein.

Insbesondere bei Substraten mit mehreren darin angeordneten Signalleitern kann die mit den Schlitzen versehene Masseebene in mehrere Teilmasseflächen aufgeteilt sein. Für eine gute Isolation ist eine niederohmige Masse vorteilhaft. Dazu können alle durch die Schlitze galvanisch innerhalb einer ersten Masseebene voneinander getrennten Teilmasseflächen über Durchkontaktierungen mit der zweiten Masseebene verbunden sein. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die zweite Masseebene eine durchgehende Metallisierungsfläche ist, die bestenfalls durch Durchkontaktierungen unterbrochen ist und die nicht durch Schlitze in Teilmasseflächen aufteilt ist. Möglich ist es jedoch auch, Teilmasseflächen in der Masseebene miteinander zu verbinden und dazu den Schlitz durch Stege zu überbrücken.

Zur Realisierung von reflektionsarmen Durchkontaktierungen ist in der geschlitzten Masseebene der Schlitz an der Stelle der Durchkontaktierung zu einer Ausnehmung erweitert, durch die die Durchkontaktierung geführt ist. Die Durchkontaktier- ung verbindet den Signalleiter mit einer oberhalb oder unterhalb der Leitung angeordneten Metallisierungsebene, die auch die Oberfläche oder die Unterseite des Substrat sein kann.

Die Ausnehmung zur Durchführung der Durchkontaktierung weist dabei eine Breite w quer zum Verlauf der Leitung auf, die die Kapazität dieser Durchführung beeinflusst . Die Länge 1 der

Ausnehmung dagegen bestimmt den induktiven Anteil der Durchführung. Durch geeignete Wahl von Länge und Breite der Durchführung wird die Impedanz der Durchführung auf einen gewünschten Wert eingestellt und ist vorteilhaft an die charakteristische Impedanz der Leitung angepasst . Diese beträgt standardmäßig 50 Ohm. Vorteilhaft weist die Ausnehmung daher eine rechteckige öffnung bzw. Grundfläche auf, da auf diese Weise die gewünschte Impedanzanpassung gleichmäßiger und einfacher durchzuführen ist. Möglich sind jedoch auch beliebige anders geformte Querschnittsflächen.

Bei einem mehrschichtigen Bauelement-Substrat oder Modul- Substrat wird der Abstand der beiden Masseebenen unter Berücksichtung des zur Verfügung stehenden freien und nicht von anderen im Substrat angeordneten Metallisierungsstruk- turen belegten Substratvolumens auf einen maximalen Wert eingestellt. Idealerweise sind die beiden Masseebenen in Metallisierungsebenen angeordnet, die jeweils nur durch eine dielektrische Schicht von Ober- und Unterseite des Substrats entfernt sind. Auf diese Weise ist es möglich, den Abstand des Signalleiters zu den Masseebenen bei gegebener

Substratdicke maximal einzustellen.

Die durch den erfindungsgemäßen Schlitz in einer Masseebene erniedrigte Kapazität der Leitung kann nun zusätzlich dadurch variiert werden, dass der Signalleiter in einer Metallisier-

ungsebene realisiert ist, die nicht mittig zwischen den beiden Masseebenen angeordnet ist. Eine bezüglich der Abstände zu den Masseebenen unsymmetrische Anordnung des Signalleiters kann auch ein Ergebnis einer Optimierung sein, mit der die Substratdicke auf einen minimalen Wert eingestellt ist, ohne dabei einen zu hohen kapazitiven Belag der Leitung zu erzeugen. Dies kann dann eine Position sein, die nicht mittig bezüglich des vertikal bestimmten Abstandes der beiden Masseebenen zueinander und daher näher an der geschlitzten Masseebene liegt. Der Signalleiter kann aber auch näher an der ungeschlitzten Masseebene angeordnet sein.

Die Schlitzbreite kann größer oder kleiner als die Streifenbreite des Signalleiters gewählt sein, wobei in allen Fällen unabhängig von der Schlitzbreite die Kapazität der Leitung gegenüber einer ungeschlitzten Masseebene reduziert ist.

Vorteilhaft wird bei gegebener Schlitzbreite s und gegebener Breite d des Signalleiters die Schlitzbreite s auf einen Wert zwischen 0,25 d und 5 d eingestellt.

Eine optimierte Leitung in einem Substrat weist vorzugsweise einen soweit als möglich linear geführten Verlauf des

Signalleiters auf, wobei eine gewünschte Leiterführung durch zueinander im Winkel angeordnete gerade Abschnitte des

Signalleiters oder durch runde Bögen realisiert sein kann.

Vorzugsweise wird die Anzahl der Abwinkelungen zwischen Signalleiterabschnitten minimiert. In allen Fällen folgt der

Schlitz auch einem gewinkeltem Verlauf des Signalleiters und ist stets auf dem Signalleiter zentriert.

Vorteilhaft umfasst das Substrat eine LTCC-Keramik (Low Temperature Co-fired Ceramic) , bei der die Metallisierungs- ebenen und die darin realisierten Signalleiter, Masseebenen und andere Metallisierungsstrukturen zusammen mit den keramischen dielektrischen Schichten gesintert sind. Die LTCC-Keramik ist besonders verzugsarm, so dass sie das Minimieren von Leiterbahnquerschnitten und mithin von

Signalleiterbreiten ermöglicht, ohne dass die Gefahr einer Unterbrechung der elektrischen Leiterbahnen durch einen zu großen Sinterverzug zu befürchten ist.

Möglich ist es jedoch auch, die Erfindung mit einem mehr- schichtigen Substrat zu realisieren, dessen dielektrische Schichten eine andere Keramik, Polymere oder Laminate umfassen. Bevorzugt für die dielektrischen Schichten sind Materialien mit möglichst geringer relativer Permittivität von beispielsweise 10 und weniger.

Die Anzahl der zu einem Substrat zusammengefügten dielektrischen Schichten ist abhängig von der gewünschten Anzahl an Metallisierungsebenen, von der durch die Technologie bestimmten optimalen Schichtdicke der dielektrischen Schichten beim Aufbau des Substrats und insbesondere von der optimalen Schichtdicke der Grünfolien des LTCC-Keramiksubstrats, sowie vom gewünschten bzw. erforderlichen Abstand zwischen einzelnen Strukturelementen des Substrats und insbesondere vom Anstand des Signalleiters von den Masseebenen.

Eine typische Gesamtsubstrathöhe ist beispielsweise ca. 400 μm und kann z.B. durch übereinanderanordnen und Sintern von 8 dielektrischen LTCC-Schichten von jeweils 50 μm Dicke realisiert sein. Die Breite des Signalleiters beträgt bei heutiger LTCC-Technologie typischerweise zumindest 75 μm, lässt sich aber mit verbesserten Technologien weiter reduzieren.

Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Substrat als Bauelementsubstrat für mit Hochfrequenz arbeitenden elektrischen Bauelementen vorgesehen. Diese sind vorzugsweise auf dem Substrat angeordnet und elektrisch mit der Leitung verbunden. Geeignet ist das Substrat auch als Modulsubstrat, welches mit mehreren Bauelementen bestückt ist, von denen zumindest eines im HF-Bereich arbeitet. Im HF-Bereich arbeitende Bauelemente können aktive und passive Bauelemente umfassen. Passive

Bauelemente können Filter oder Resonatoren in SAW Technik (Surface acoustic wave) , BAW Technik (BuIk acoustic wave) oder dielektrische Resonatoren und Filter sein.

Ein Bauelementtyp, welches einer besonders guten Isolierung bedarf und besonders vorteilhaft auf dem erfindungsgemäßen Substratmontiert sein kann, ist ein Duplexer.

Das Substrat kann jedoch neben den Verbindungsleitungen und insbesondere der erfindungsgemäß ausgebildeten Leitung noch andere Metallisierungsstrukturen und damit realisierte passive Komponenten umfassen, die mit dem oder den Bauelementen auf der Oberfläche des Substrats zusammenwirken und komplexere Verschaltungen umgeben können. Eine vorteilhafte Anwendung findet das erfindungsgemäße Substrat daher in Modulen, wie sie insbesondere im Frontend von Endgeräten der mobilen schnurlosen Kommunikation eingesetzt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert . Die Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Den Figuren sind daher weder absolute noch relative Maßangaben zu entnehmen.

Figur 1 zeigt im schematischen Querschnitt eine erfindungsgemäße Leitung im Vergleich zu bekannten Streifenleitungen;

Figur 2 zeigt die Leitung in perspektivischer Darstellung;

Figur 3 zeigt eine Leitung mit Ausnehmung in der Draufsicht;

Figur 4 zeigt ein Substrat mit Durchkontaktierungen;

Figur 5 zeigt ein Substrat mit darauf montierten Bauelement;

Figur 6 zeigt ein als Modulsubstrat ausgebildetes erfindungsgemäße Substrat.

Figur IC zeigt ein erfindungsgemäßes Substrat mit Leitung, welches in Figur IA mit einer bekannten eingebetteten

Mikrostreifenleitung und in Figur IB mit einer bekannten Triplate-Streifenleitung verglichen wird.

Eine bekannte Mikrostreifenleitung wie in Figur IA umfasst ein Substrat SU mit einem Mehrschichtaufbau aus mehreren dielektrischen Schichten, von denen in der Figur beispielhaft 8 dargestellt sind. Im Bereich einer ersten Oberfläche des Substrats und nur durch eine dielektrische Schicht von dieser getrennt ist eine erste Masseebene Ml vorgesehen. Mitten im Substrat in einer zweiten Metallisierungsebene ist ein

Signalleiter SL strukturiert, der zur ersten Metallisierung einen vertikal zur Substratebene bemessenen Abstand h aufweist. Der Abstand h bemisst sich dabei von der Oberseite der ersten Massenebene Ml zur Unterseite der Signalleitung SL. Die Signalleitung SL ist streifenförmig und weist eine Breite d auf.

Im Unterschied dazu ist in Figur IB eine Triplate-Streifenleitung dargestellt, die sich gegenüber der eingebetteten Mikrostreifenleitung durch eine zweite Massenebene M2 unterscheidet, die im Bereich der oberen Oberfläche des Substrats SU angeordnet ist und hier in der Figur nur durch eine dielektrische Schicht von dieser getrennt ist. Der Signalleiter ist vorzugsweise im Schichtenstapel bzw. im mehrschichtigen Substrat mittig angeordnet, so dass der gleiche Abstand h des Signalleiters sowohl gegenüber der unteren ersten Massenebene Ml als auch der oberen zweiten Massenebene M2 eingehalten wird.

Gegenüber der Triplate-Streifenleitung unterscheidet sich die erfindungsgemäße Leitung gemäß Figur IC durch einen Schlitz SCH in der zweiten Massenebene M2. Der Schlitz ist wie in der Figur IC vorzugsweise oberhalb des Signalleiters SL und vorteilhaft zentriert zu dieser angeordnet. Der Signalleiter kann zu erster und zweiter Massenebene gleiche oder unterschiedliche Abstände aufweisen. Die Schlitzbreite s kann größer oder kleiner als die Streifenbreite d der Signalleitung gewählt sein. Bei gleichem Schichtaufbau des Mehrschichtsubstrats bezüglich der dielektrischen Schichten erreicht die erfindungsgemäße Leitung gemäß Figur IC annähernd die Impedanz der Mikrostreifenleitung gemäß Figur IA und gleichzeitig annähernd die Isolation der Streifenleitung gemäß Figur IB. Das erfindungsgemäße Substrat ist also gegenüber der Mikrostreifenleitung gemäß Figur IA bezüglich der Isolation und gegenüber der Triplate- Streifenleitung gemäß Figur IB bezüglich der Isolation verbessert .

Figur 2 zeigt das in Figur IC im Querschnitt gezeigte Substrat mit neuartiger Leitung in perspektivischer Darstellung. Hier ist besonders gut zu erkennen, dass der hier linear dargestellte streifenförmige Signalleiter SL parallel zum Schlitz in der zweiten Massenebene M2 verläuft. Im dargestellten Ausschnitt des in Realität größeren und komplexer strukturierten erfindungsgemäßen Substrats folgt der Schlitz der Signalleitung über die gesamte Länge. Vorteilhaft ist es, wenn der Schlitz der Signalleitung über einen Großteil der Streifenlänge und insbesondere zumindest über 80 % der gesamten Streifenlänge der Signalleitung folgt. Vorteilhaft ist der Schlitz nicht durch Stege unterbrochen.

Die Breite s des Schlitzes kann variiert werden, um die Impedanz der Leitung stufenlos auf einer gewünschten Wert einzustellen. Dies ist gegenüber den bekannten Streifenleitungen gemäß der Figuren IA und IB ein weiterer Vorteil, da dort die Impedanz nur über den Abstand h des Signalleiters zu den Massenebenen und die Breite des Signalleiters einstellbar war. Der Abstand h wiederum lässt sich nur in diskreten Schritten verändern, die der Dicke der verwendeten dielektrischen Schichten entspricht, während die Struktur- breite des streifenförmigen Signalleiters eine technologisch bedingte untere Grenze aufweist.

Die Dicke der zwischen der Signalleitung SL und der unteren Massenebene Ml angeordneten dielektrischen Schicht DSl, die auch ein Schichtbereich aus mehreren Schichten sein kann, kann gegenüber der Dicke der zweiten dielektrischen Schichten DS2, die zwischen Signalleitung und oberer zweiter Massenebene M2 angeordnet ist, gleich oder unterschiedlich sein. Jeder dielektrische Schichtbereich kann auch eine unterschiedliche Anzahl dielektrischer Schichten umfassen. Auch oberhalb der zweiten Massenebene M2 kann ein oberer dielektrischer Schichtbereich DS ₀ und unterhalb der unteren ersten Massenebene Ml ein unterer dielektrischer Schichtbereich DS _U angeordnet sein, um die Massenebenen elektrisch von der Substratoberfläche zu isolieren.

Figur 3A zeigt weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Substrat in der Draufsicht auf die durch den Schlitz SCH geteilte obere Massenebene M2. Zumindest im dargestellten Bereich ist die obere Massenebene durch den Schlitz in eine erste Massenteilfläche MTl und eine zweite Massenteilfläche MTl und eine zweite Massenteilfläche MT2 geteilt, die innerhalb der Masseebene ohne elektrische Verbindungen sein

können. Der zum Schlitz zentrierte Signalleiter SL, der hier mit geringer Breite d als die Schlitzbreite s dargestellt ist, verläuft parallel zum Schlitz. An einer Stelle ist der Schlitz zu einer Ausnehmung AN mit einer Breite w verbrei- tert . Die Ausnehmung weist eine Länge 1 auf. Die rechteckig dargestellte Ausnehmung kann jedoch auch beliebige andere Querschnittsformen bzw. Grundflächen aufweisen.

Vorzugsweise in der Ausnehmung zentriert ist eine Durch- kontaktierung angeordnet, die die Signalleitung SL elektrisch mit einer Metallisierungsebene verbindet, die oberhalb der oberen Massenebene M2 angeordnet ist. Die Weite w und Länge 1 der Ausnehmung bestimmen die Impedanz der Durchkontaktierung und daher die Reflexion an dieser Durchkontaktierung . In der Figur nicht dargestellt ist die untere Massenebene Ml, die durchgehend sein kann. Möglich ist es jedoch, auch in der unteren Massenebene einen der Signalleitung im Verlauf folgenden Schlitz vorzusehen. Ebenso ist es möglich, auch in der unteren Massenebene mit oder ohne Schlitz Ausnehmungen AN vorzusehen, mit denen die Signalleitung SL mit einer unterhalb der unteren ersten Massenebene Ml angeordneten Metallisierungsebene und insbesondere mit auf der Unterseite des Substrats angeordneten Außenkontakten verbunden sein kann.

In den Figur 3B und 3C ist eine Variante von Figur 3A dargestellt, bei der die Durchkontaktierung DK an einem Ende des Signalleiters SL angeordnet ist. In Figur 3B endet der Signalleiter SL zusammen mit der Metallisierung der Masseteilflächen MTl und MT2 , während in Figur 3C die Metallisierung der Masseebene M über das Ende des Signalleiters SL hinausgeführt ist .

Figur 4 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts die Verbindung der durch den Schlitz getrennten Masseteilflächen MTl und MT2 mit der ersten Massenebene Ml über Durchkontak- tierungen DK. Für jede Masseteilfläche kann eine Mehrzahl von Durchkontaktierungen vorgesehen sein, um die Massenebenen ausreichend niederohmig zu verbinden.

Figur 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Substrat im schematischen Querschnitt, auf dem ein elektrisches Bauelement BE mittels geeigneter elektrischer Verbindungen EV montiert ist. Im Inneren des Substrats SU ist die nicht mehr im einzelnen dargestellte erfindungsgemäß ausgeführte Leitung L angeordnet und elektrisch mittels zumindest einer elektrischen Verbindung EV mit dem Bauelement sowie über eine geeignete Verbindung mit zumindest einem der unten am Substrat angebrachten Außenkontakte AK verbunden. Zumindest einer der Außenkontakte und zumindest eine der elektrisch leitenden Verbindungen EV sind mit jeweils einer Massenebene verbunden. Das Bauelement BE ist vorzugsweise ein mit hohen Frequenzen arbeitendes Bauelement und insbesondere ein mit akustischen

Wellen arbeitendes Bauelement, beispielsweise ein BAW-Filter oder ein SAW-Filter. Letzteres kann als piezoelektrisches Kristallplättchen bzw. als Bare Die über Bump-Verbindungen auf dem Substrat SU montiert sein. Möglich ist jedoch auch jede andere Art von elektrisch leitender Verbindung EV. Auch BAW-Filter können über Bump-Verbindungen elektrisch und mechanisch mit dem Substrat SU verbunden sein.

Figur 6 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts ein erfindungsgemäßes Substrat, welches als Modulsubstrat dient.

Auf dem Substrat sind ein erstes Bauelement BEI und ein zweites Bauelement BE2 montiert und elektrisch mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Leitung L im Inneren des

Substrats und mit den Außenkontakten auf der Unterseite des Substrats verbunden. Insbesondere bei dieser Ausführung als ModulSubstrat können im Inneren des Substrats SU durch entsprechend strukturierte und im Abstand übereinander angeordnete Metallisierungsebenen weitere passive Komponenten wie Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten ausgebildet und elektrisch mit den Bauelementen BE verbunden sein.

Die Erfindung ist nicht auf diese im Einzelnen dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Ein erfindungsgemäßes Substrat ist bezüglich der Anzahl der dielektrischen Schichten, der Anzahl der Metallisierungsebenen, der Abstände h der Signalleiter SL von den Massenebenen M, dem Verhältnis von Streifenbreite d der Signalleitung SL zur Schlitzbreite s, bezüglich des nicht geraden Verlaufs von Signalleiter oder Schlitz, und bezüglich Anzahl und Art auf dem Substrat montierter Bauelemente variierbar.