DE4335232A1 - Anordnung zur Abstrahlung von Millimeterwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abstrahlung von Millimeterwellen.

Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 3, April 93, S. 95-97, "Active Cavity-Backed Slot Antenna Using MESFETs" von H.P. Moyer und R.A. York bekannt. Durch die Kopplung der Antenne mit dem Hohlraumresonator wird die Leistungs­ abstrahlung erhöht und das Antennendiagramm verbessert. Als Oszillatoranordnung bei 10 GHz ist ein GaAs-MESFET mit einem planaren Antennen- und Anpassungsnetzwerk kombi­ niert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Abstrahlung von Millimeterwellen mit weiter verbesser­ tem Wirkungsgrad anzugeben.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß eine schnelle Abführung der im aktiven Halbleiterbauelement an­ fallenden Verlustleistung den Wirkungsgrad des Bauelements verbessert und ist insbesondere vorteilhaft für Oszilla­ tor-Anordnungen mit höheren Betriebsfrequenzen auf Sili­ zium-Substraten.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Abbildung eingehend ver­ anschaulicht, in der die einzelnen Teile der Anordnung vor dem Zusammenfügen skizziert sind.

Auf einem Halbleitersubstrat S, vorzugsweise Silizium, ist eine mm-Wellen-Diode D, beispielsweise eine IMPATT-Diode als aktives Halbleiterbauelement realisiert und mit einem integrierten Schlitzresonator SR zu einer integrierten Sendeanordnung ergänzt. Das Substrat wird mit der die Diode und die Schlitzresonatorstruktur enthalt­ enden Seite (Schichtseite) auf einer Trägerplatte T befe­ stigt ("upside down"). Die dem Substrat zugewandte Seite der Trägerplatte T trägt die zum Anschluß der Sendeanord­ nung erforderliche Zuleitungsstruktur V. Diese Zuleitungs­ struktur wird vorzugsweise in einem Ätzvorgang aus einer ganzflächigen Metallisierung der Trägerplatte hergestellt.

Die Befestigung des Substrats S auf der Trägerplatte T er­ folgt vorteilhafterweise durch Aufbonden (Thermokompres­ sion) kann aber auch durch andere Verbindungstechniken beispielsweise Löten vorgenommen werden.

Die Wärmeleitfähigkeit des Materials der Trägerplatte ist vorteilhafterweise größer als 1 W/cm.K. Vorzugsweise ist die Wärmeleitfähigkeit des Plattenmaterials größer als die des Substratmaterials. Die Trägerplatte ist auf einer Wär­ mesenke W befestigt, in welcher ein Hohlraumresonator aus­ gebildet ist. Die Wärmesenke W ist beispielsweise ein Kup­ ferblock. Der Hohlraumresonator in der Wärmesenke wird vorteilhafterweise durch ein zylindrisches Loch L in dem Kupferblock gebildet, das auf der der Trägerplatte abge­ wandten Seite mit einer elektrisch leitenden Abschlußfolie F abgeschlossen ist, die z. B. durch Weichlöten mit dem Kupferblock verbunden ist. Die Abschlußfolie besteht vorzugsweise aus Gold oder Kupfer.

Die Trägerplatte weist vorteilhafterweise einen Durchbruch K auf, durch den die Schlitz-Antenne SR des Substrats S an dem Hohlraumresonator gekoppelt ist. Der Durchbruch ist in Form und Größe an das Antennenelement des Substrats ange­ paßt und vorzugsweise geringfügig größer als dieses. Der Durchbruch ist vorzugsweise mittig über dem Hohlraumreso­ nator positioniert. Die Antenne SR des Substrats wird auf den Durchbruch der Trägerplatte justiert.

Vorzugsweise sind die Wandungen des Durchbruchs K und die dem Resonator zugewandte Seite der Trägerplatte T durchge­ hend elektrisch leitend, z. B. durch eine aufgedampfte Me­ tallschicht, so daß eine Welleneinkopplung in eine Träger­ platte aus dielektrischem Material vermieden wird. Die Trägerplatte kann auch aus Metall, z. B. Kupfer bestehen, wobei dann die Isolation gegenüber dem Substrat und zwi­ schen den getrennten Leitern der Zuleitungsstruktur ge­ währleistet sein muß, z. B. durch eine zusätzliche Isola­ tionsschicht auf der metallischen Trägerplatte.

Als dielektrisches Material für die Trägerplatte ist vor­ teilhafterweise AlN gewählt, welches eine gute Wärmeleit­ fähigkeit (1,7 W/cm. K) und einen zu Silizium als Sub­ stratmaterial ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf­ weist.

Die Trägerplatte wird gut wärmeleitend auf der Wärmesenke befestigt, z. B. durch Weichlöten. Die Abschlußfolie, die Wandungen des zylindrischen Lochs L in der Wärmesenke und die der Wärmesenke zugewandte Seite der Trägerplatte mit den Wandungen des Durchbruchs K bilden als elektrisch gut leitend miteinander verbundene Flächen den Hohlraumresona­ tor dessen Resonanzfrequenz zumindest annähernd mit der Resonanzfrequenz der Oszillatoranordnung auf dem Substrat übereinstimmt. Innerhalb des Ziehbereichs der Oszillatora­ nordnung kann die Betriebsfrequenz durch den Hohlraumreso­ nator abgestimmt und stabilisiert werden.

Die Abstrahlung der Sendeleistung erfolgt primär durch das Substrat, was durch die "upside down" -Anordnung bei der Erfindung weiter begünstigt wird. Außerdem wird durch diese Anordnung in Verbindung mit dem Durchbruch durch die Trägerplatte eine definierte Ankopplung an den Hohlraumre­ sonator gewährleistet. Insbesondere ist die Anordnung gün­ stig für die Abfuhr der Verlustleistung durch den kurzen Weg zu der wärmeableitenden Trägerplatte, die auch als Teil einer mehrteiligen Wärmesenke T, W, F betrachtet wer­ den kann. Die der Trägerplatte abgewandte Seite kann zur Strahlformung und/oder Polarisationseinstellung geome­ trisch strukturiert werden, z. B. durch ein Relief oder eine strukturierte Schicht.

Für eine auf einem Siliziumsubstrat realisierte Oszillato­ ranordnung für eine Betriebsfrequenz im Frequenzbereich zwischen 60 GHz und 80 GHz wurde eine Trägerplatte aus AlN mit einer Plattendicke zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, einer Tiefe des Hohlraumresonators von ca. 3 mm und einer 0,1 mm dicken Goldfolie als Abschlußfolie gewählt.

Der Grundgedanke der Erfindung ist prinzipiell nicht auf den Frequenzbereich der mm-Wellen beschränkt.

Claims (7)

1. Anordnung zur Abstrahlung von Millimeterwellen mit ei­ nem aktiven Halbleiterbauelement auf einem Substrat, einem Antennenelement und einem Hohlraumresonator, gekennzeich­ net durch die folgenden Merkmale:

• a) der Hohlraumresonator ist in einer Wärmesenke aus­ gebildet
• b) die das Halbleiterbauelement tragende Seite des Substrats ist dem Resonator zugewandt
• c) zwischen dem Substrat, und der Wärmesenke ist eine Trägerplatte aus gut wärmeleitendem Material ange­ ordnet
• d) Substrat, Platte und Wärmesenke sind gut wärmelei­ tend miteinander verbunden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte einen Durchbruch zwischen Antennenelement und Hohlraumresonator aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen des Durchbruchs und die dem Resonator zuge­ wandte Seite der Trägerplatte durchgehend elektrisch lei­ tend sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit des Materials der Trägerplatte <1 W/cm·K ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit des Materials der Trägerplatte größer ist als die des Substratmaterials.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke eine Platte mit einem zylindrischen Durchgangsloch ist, das auf der der Träger­ platte abgewandten Seite durch eine elektrisch leitende Abschlußfolie abgeschlossen ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine IMPATT-Diode und eine integrierte Schlitzantenne enthält.