Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 102019217 735.2, eingereicht am 18. November 2019, die in vollem Umfang durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen wird.

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Radarmesstechnik. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Radarchip mit einer Hohlleitereinkopplung, die Verwendung eines derartigen Radarchips in einem Radarmessgerät, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Radarchips. Hintergrund

Radarmessgeräte können in der Automatisierungstechnik im industriellen Umfeld eingesetzt werden. Beispielsweise sind sie in Form von Radarfüllstandmessgeräten ausgeführt, die sehr häufig mit Hornantennen ausgestattet sind, welche über Hohlleiter gespeist werden. Vor allem im Frequenzbereich zwischen 40 und 300 GHz sind die mechanischen Abmessungen der Hohlleiterkomponenten in einem Bereich, dass man sie gut im Radargerät integrieren kann.

Die Einkopplung der von der Hochfrequenzschaltung des Messgeräts erzeugten Radarsignale in die Hornantenne kann über eine sogenannte Stripline, die auch als Mikrostreifenleitung bezeichnet wird, erfolgen, die in einen Hohlleiter der Hornantenne hineinragt. Um die Hochfrequenzschaltung, die als Radarchip ausgeführt sein kann, vor mechanischen Beanspruchungen zu schützen, kann diese in eine Vergussmasse eingegossen werden.

Zusammenfassung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Radarchip mit einer Hohlleitereinkopplung bereitzustellen, der durch Vergussmasse geschützt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.

Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen Radarchip mit einer Hohlleitereinkopplung, eingerichtet zum Einkoppeln eines Radarsignals des Radarchips in eine Antenne oder einen Hohlleiter eines Radarmessgeräts. Bei diesem Hohlleiter kann es sich insbesondere um einen Teil der Antenne handeln, der das eingekoppelte Radarsignal in das Antennenhorn einleitet.

Die Hohlleitereinkopplung weist ein Hochfrequenzsubstrat auf, beispielsweise in Form einer Platine, mit einer ersten Leitung, einer zweiten Leitung und einem zwischen diesen beiden Leitungen angeordneten Wellenleiter, der in das Substrat integriert ist. Bei dem Strahlerelement kann es sich beispielsweise um ein flächiges Erregerpatch handeln, oder aber auch um einen Erregerstift oder eine Einzel- oder Doppelfinne. Diese Anordnung ist eingerichtet zum Übertragen des Radarsignals von dem Radarchip an eine Antenne oder einen Hohlleiter des Radarmessgeräts, sowie zum Einkoppeln des Radarsignals in die Antenne bzw. den Hohlleiter des Radarmessgeräts. Ebenso werden die an dem zu messenden Medium reflektierten Radarsignale über diese Anordnung von der Antenne zum Radarchip übertragen.

Der substratintegrierte Wellenleiter kann als gefüllter Hohlleiter angesehen werden. Gemäß einer Ausführungsform weist er eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite auf, zwischen denen sich Substratmaterial befindet und welche mittels Durchkontaktierungen bzw. Vias, welche die „Seitenwände“ des „Hohlleiters“ ausbilden, elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Leitung, die zweite Leitung und die Oberseite des dazwischen angeordneten substratintegrierten Wellenleiters in derselben Ebene des Hochfrequenzsubstrats angeordnet. Bei dieser Ebene kann es sich um eine Außenebene handeln, aber auch um eine Ebene im Inneren des Hochfrequenzsubstrats.

Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Leitung, die zweite Leitung und die Oberseite des dazwischen angeordneten substratintegrierten Wellenleiters auf der Oberfläche des Hochfrequenzsubstrats angeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Leitung mit einem Anfangsbereich der Oberseite des des substratintegrierten Wellenleiters verbunden bzw. daran angeschlossen. Bei diesem Anfangsbereich handelt es sich beispielsweise um die „Vorderkante“ der metallischen Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters. Die zweite Leitung ist entsprechend mit einem Endbereich (der Hinterkante) der Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters verbunden bzw. daran angeschlossen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der substratintegrierte Wellenleiter der Hohlleitereinkopplung eine Breite auf, die um ein Vielfaches größer ist als die Breiten der ersten Leitung und der zweiten Leitung. Die Breite verläuft hierbei parallel zur Oberfläche des Substrats und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Radarsignals. Generell lässt sich sagen, dass die Breite, wie in Fig. 1 dargestellt, nicht zwangsweise die Breite der Leiterbahn ist. Der Rand und somit die Breite des substratintegrierten Wellenleiters wird durch die Vias definiert. Die Fläche 102a kann sich aber darüber hinaus großflächig ausdehnen und aus „Gleichstrom-Sicht“ mit Ground (Schaltungsmasse) verbunden sein. Das wiederum bietet Vorteile hinsichtlich der Ex-Zulassung. Denn somit kann sich auf der unvergessenen Mikrostreifenleitung, die den Hohlleiter speist, keine Spannung aufbauen, da diese über den substratintegrierten Wellenleiter aus Gleichstromsicht kurzgeschlossen ist. Das wiederum führt dazu, dass sich potentiell zündbare Atmosphäre über diese Leitung nicht entzünden kann. Gemäß einer Ausführungsform ist die Breite der ersten Leitung geringer als die Breite der zweiten Leitung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Radarchip mit der Hohlleitereinkopplung eine Vergussmasse auf, in welcher der Radarchip, die erste Leitung und ein Teilbereich der Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters eingebettet ist, eingerichtet zum Schutz des Radarchips vor mechanischen Belastungen.

Bei dieser Vergussmasse kann es sich beispielsweise um eine verhältnismäßig harte Vergussmasse handeln, beispielsweise ein Zweikomponentenharz, beispielsweise GlobTop. Diese Vergussmasse bettet auch die Bonddrähte bzw. Lötverbindungen ein.

Es kann auch eine weitere Vergussmasse vorgesehen sein, welche nach der ersten Vergussmasse auf die erste Vergussmasse aufgebracht ist und diese beispielsweise vollständig einbettet. Hierbei kann es sich um eine weichere Vergussmasse handeln, beispielsweise eine gallertartige. Dieses soll insbesondere einen Explosionsschutz für die gesamte Anordnung bereitstellen.

Gemäß einerweiteren Ausführungsform weist die erste Leitung eine erste An passstruktur im Bereich des Anschlusses an dem substratintegrierten Wellenleiter auf. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die zweite Leitung eine zweite An passstruktur im Bereich ihres Anschlusses an den substratintegrierten Wellenleiter aufweisen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der substratintegrierte Wellenleiter Durchkontaktierungen von seiner Oberseite zu seiner Unterseite auf.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Hohlleitereinkopplung mit den oben und/oder im Folgenden beschriebenen Merkmalen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen Radarchips mit Hohlleitereinkopplung in einem Radarmessgerät, insbesondere in einem Radarfüllstandmessgerät. Beispielsweise weist das Radarmessgerät eine Antenne oder einen Hohlleiter auf, die bzw. der auf der Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters aufliegt, so dass eine Vergussmasse ins Innere der Antenne bzw. des Hohlleiters fließen kann.

Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines oben und im Folgenden beschriebenen Radarchips mit einer Hohlleitereinkopplung, bei dem zunächst ein Radarchip mit einer Hohlleitereinkopplung bereitgestellt wird, der eingerichtet ist zum Einkoppeln eines Radarsignals des Radarchips in eine Antenne oder einen Hohlleiter, gefolgt von einem Vergießen des Radarchips, der ersten Leitung und eines Teilbereichs der Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters mit einer ersten Vergussmasse, zum Schutz des Radarchips vor mechanischen Belastungen.

In einem möglichen weiteren Verfahrensschritt wird der Radarchip mit einer weiteren Vergussmasse vergossen, welche auf die erste Vergussmasse aufgebracht wird. Durch die ebene Struktur der oberen Metallschicht des substratintegrierten Wellenleiters ist es möglich, eine Abdichtung zwischen Vergussmasse und Hohlleiter zu realisieren, da ein Eindringen der zweiten Vergussmasse in den Hohlleiter dazu führen würde, dass dieser seine Aufgabe nicht mehr erfüllt.

Durch den zweiten Verguss kann neben dem mechanischen Schutz ein effizienter Explosionsschutz bereitgestellt werden. Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen beschrieben. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugsziffern verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.

Kurze Beschreibung der Figuren Fig. 1 zeigt eine Hohlleitereinkopplung gemäß einer Ausführungsform.

Fig. 2 zeigt eine alternative Hohlleitereinkopplung.

Fig. 3 zeigt die Seitenansicht eines Radarmessgeräts mit einer Hohlleitereinkopplung.

Fig. 4 zeigt eine Seitenschnittansicht eines Radarmessgeräts mit einer Hohlleitereinkopplung gemäß einer Ausführungsform. Fig. 5 zeigt die Draufsicht auf die in der Fig. 3 dargestellte Hohlleitereinkopplung.

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die in Fig. 4 dargestellte Hohlleitereinkopplung.

Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf die in Fig. 4 dargestellte Hohlleitereinkopplung, im Vergleich zur Fig. 6 jedoch mit installierter Antenne.

Fig. 8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen

Radarfüllstandmessgeräte sind sehr häufig mit Hornantennen ausgestattet, die über Hohlleiter gespeist werden. Vor allem im Frequenzbereich zwischen 40 und 300 GHz sind die mechanischen Abmessungen der Hohlleiterkomponenten in einem Bereich, dass man sie gut im Radargerät integrieren kann. Fig. 3 zeigt die Seitenansicht eines Radarmessgeräts mit einer Hohlleitereinkopplung. Zur radarbasierten Füllstandmessung wird ein hochfrequentes Messsignal in der Elektronikeinheit eines Radarmoduls 300 auf einem Radarchip 301 erzeugt. Der ungehäuste Radarchip sitzt auf einem speziellen Leiterplattensubstrat 302, das gute Hochfrequenzeigenschaften, wie zum Beispiel eine geringe Signaldämpfung, aufweist. Dort ist er beispielsweise aufgeklebt und wird mit Bondverbindungen 303 kontaktiert. Das hochfrequente Radarsignal wird dann über die Bondverbindung 303 auf eine Stripline 304 (Mikrostreifenleitung) geführt. Alternativ hierzu kann der Chip auch auf das Substrat aufgelötet werden. Das Radarsignal wird dann über eine Lötverbindung auf eine Stripline 304 (Mikrostreifenleitung) geführt. Die Mikrostreifenleitung wiederum führt direkt in einen Hohlleiter 305, der senkrecht auf dem Hochfrequenzsubstrat steht. Der Hohlleiter weist ein kleines Tor 306 auf, durch das die Mikrostreifenleitung hindurchgeführt wird. Der Hohlleiter ist mit der Antenne 307 verbunden. Das Radarsignal kann über diese Anordnung gesendet und empfangen werden. Zur Erhöhung der Bandbreite des Übergangs zwischen der Mikrostreifenleitung und dem Hohlleiter kann ein im Substrat integrierter Resonator 308 verwendet werden. Zum Schutz des Radarchips vor mechanischen Belastungen, Staub oder anderen Verunreinigungen wird dieser mitsamt den Bondverbindungen bzw. Lötverbindungen unter einem Epoxidharz 309 (GlobTop) vergossen. Das Harz wird dabei in flüssiger Form auf den Chip und das Substrat aufgebracht. Dabei fließt das Harz bis zu einem nichtdefinierten Punkt über die Mikrostreifenleitung. Diese Anordnung weist jedoch einige Nachteile auf, die mit der im Folgenden beschriebenen Anordnung behoben werden.

Ein Nachteil ist, dass das GlobTop 309 die Mikrostreifenleitung nur bis zu einem

Undefinierten Bereich abdeckt. Da sich das GlobTop 309 in den dielektrischen Eigenschaften von Luft unterscheidet, besitzt die Mikrostreifenleitung in dem Bereich, in dem sie vom

GlobTop Material verdeckt wird, eine andere Impedanz als in dem Bereich, in dem die

Leitung von Luft umgeben ist.

Weiterhin können Radargeräte unter bestimmten Voraussetzungen eine Zulassung zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen erhalten. Eine Voraussetzung hierfür kann sein, dass die gesamte Elektronikeinheit unter einer Vergussmasse 401 vergossen wird, damit sich in der Elektronik kein zündfähiges Gemisch anreichern kann. Um solch eine Elektronikeinheit vergießen zu können, muss diese nach außen hin abgedichtet werden. Das kann jedoch ein Problem in Zusammenhang mit dem Hochfrequenzsignal darstellen. Der Hohlleiter sollte nicht mit Vergussmasse volllaufen, da sonst dessen Hochfrequenzeigenschaften verschlechtert werden können. Da die Mikrostreifenleitung jedoch durch ein Tor in den Hohlleiter hinein führt, würde das mit oben beschriebenen Aufbau zwangsläufig passieren.

Eine Lösung für dieses Problem ist in Fig. 1 dargestellt. Die elektromagnetische Welle breitet sich bei einer Stripline 103a zwischen der oben liegenden Leiterbahn und dem Masse-Layer im Dielektrikum der PCB aus. Diese Welle wird in einen aus dem PCB-Material, den zwei Kupferlayern 102a 102b und Durchkontaktierungen 101 bestehenden gefüllten Hohlleiter überführt, der im Rahmen dieser Beschreibung auch als substratintegrierter Wellenleiter bezeichnet wird. Der Begriff Kupferlayer ist breit auszulegen.

Danach wird die Welle wieder nach dem gleichen Prinzip in eine zweite Stripline 103b zurück überführt und in den Hohlleiter eingekoppelt. Vorteilhaft erweisen sich dabei Anpassstrukturen in Form von Tapern 104a 104b, die aus hochfrequenztechnischer Sicht einen dämpfungs- und reflexionsärmeren Übergang zwischen den jeweiligen Leitungsstrukturen schaffen.

Im Inneren des Hohlleiters 305 kann die elektromagnetische Welle über die zweite Stripline 103b oder ein daran angeschlossenes entsprechend abgestimmtes Erregerpatch, welches auf der gleichen Ebene wie die obere Metallschicht des substratintegrierten Wellenleiters liegt und wie diese Fläche ebenfalls auf dem aus gleichstromtechnischer Sicht auf Massepotential (Bezugspotential) liegt, oder eine andere Art von Strahlerelement in den Hohlleiter der Antenne eingespeist werden.

Der Resonatortopf (Resonatorelement) 308 stellt eine Möglichkeit dar, das Hochfrequenzsignal, das auf einer Leiterplatte geführt wird, breitbandig in den Hohlleiter 305 zu überführen (einzukoppeln) und umgekehrt. Ohne das Resonatorelement wird das Signal schmalbandiger übertragen. Das Resonantelement erzeugt eine zusätzliche Resonanz im Übertragungsverhalten des Leitungstyps auf der Leiterplatte und dem Hohlleiter. Die erste Resonanz (an Resonanzstellen wird die Energie sehr gut in den Hohlleiter übertragen) bildet das Strahlerelement. Dessen geometrische Abmessungen sind so abgestimmt, dass es (genau) eine Resonanz im gewünschten Frequenzbereich erzeugt.

Die zweite Resonanz (die des Resonatortopfs 308) kann maßgeblich durch die Topftiefe beeinflusst werden. Die Tiefe bewegt sich im Bereich einer viertel Wellenlänge im Substrat.

Die Welle, die sich auf der Leitung der Leiterplatte in den Hohlleiter 305 hinein bewegt, löst sich vom Strahlerelement bzw. der Stripline 103b ab. Ein Teil der Welle läuft in Richtung der Hohlleiteröffnung, der andere Teil läuft in Richtung Resonatortopf. Am Boden des Resonatortopfs wird die Welle reflektiert und läuft nun ebenfalls in Richtung der Hohlleiteröffnung. Diese reflektierte Welle überlagert sich nun konstruktiv mit der Welle die ohnehin schon in Richtung Hohlleiteröffnung läuft, was sich sehr positiv auf das Übertragungsverhalten auswirkt. Alternativ zu einem Resonatortopf kann eine Doppelfinne als Strahlerelement vorgesehen sein.

Das GlobTop Material kann jetzt bis auf die glatte Oberfläche 102a des im Substrat integrierten Wellenleiters hinausgeführt werden. Der substratintegrierte Wellenleiter ist aufgrund seiner Beschaffenheit weitgehend unabhängig von Materialien, die sich auf dessen Ober- und Unterseite befindet, und insbesondere vom GlobTop Material. Daher ist es an dieser Stelle weitgehend unerheblich, wie weit das GlobTop in seiner flüssigen Form auf den substratintegrierten Wellenleiter fließt. Da nun die gesamte Mikrostreifenleitung auf der dem Radarchip zugewandten Seite unter GlobTop Material vergossen werden kann, kann man die Impedanz der Leitung über deren Breite auf eine definierte Impedanz von zum Beispiel 50 Ohm abstimmen. In Fig. 1 ist zu erkennen, dass die Mikrostreifenleitungen auf der linken Seite eine andere Breite hat als auf der rechten Seite der Platine. Auch der Taper 104a ist auf das GlobTop Material abgestimmt.

Weiterhin kann jetzt der metallische Hohlleiter so ausgeführt werden, dass dessen Außenwandung 402 direkt auf der Fläche des im Substrat integrierten Wellenleiters aufsetzt, siehe Fig. 4. So kann eine Dichtfläche realisiert werden, damit die oben beschriebene Vergussmasse nicht in den Hohlleiter hineinfließen, gleichzeitig aber, das Hochfrequenzsignal in den Hohlleiter eingekoppelt werden kann. Die Figuren 5-7 zeigen jeweils die Draufsicht des Radarmoduls. Fig. 5 beschreibt eine erste Ausführungsform. Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht der Hohlleitereinkopplung mit einem Schnitt durch den Rundhohlleiter 305 und zeigt den Fall, dass das GlobTop Material durch den substratintegrierten Wellenleiter auf der Mikrostreifenleitung einen definierten Abschluss findet. Die Durchkontaktierungen des substratintegrierten Wellenleiters, die sich in zwei Reihen jeweils an den Seiten des substratintegrierten Wellenleiters befinden, münden in einer ringförmigen metallischen Struktur, die ebenfalls mittels Durchkontaktierungen an eine entsprechende metallischer Struktur auf der Ebene des unteren Layers 102b angeschlossen sein kann. Die beiden metallischen Strukturen müssen keine ringförmige Form aufweisen. Jedoch ist es vorteilhaft, wenn sie zumindest eine kreisförmige Innenkontur aufweisen, damit das Strahlerelement 103b ausreichend Platz hat. Es bietet sich an, die Innenkontur der beiden metallischen Strukturen an die Innenkontur das darauf aufsetzenden Hohlleiters 402 anzupassen. Die Innenkonturen können auch oval oder rechteckig sein. Der letzterer Fall gilt beispielsweise bei Verwendung eines Rechteckhohlleiters oder eines Rundhohlleiters mit rechteckiger Innenkontur.

Fig. 7 zeigt ein Schnittbild mit der Ausführungsform, in welcher die Antenne so konstruiert ist, dass sie ebenfalls mit einer glatten Dichtfläche auf dem substratintegrierten Wellenleiter aufsetzt, um somit Dichtheit zwischen der vergossenen Elektronik/Radarmodul und dem luftgefüllten Hohlleiter/Radarantenne herzustellen.

Ein wichtiger Aspekt ist die Bereitstellung von einer Abdichtmöglichkeit zwischen der vergossenen Elektronik und dem luftgefüllten Hohlleiter durch Leitung der elektromagnetischen Energie im Dielektrikum der Platine bei durchgängiger ununterbrochener Massefläche.

Ein weiterer Aspekt ist die Vermeidung einer Undefinierten Stelle des Impedanzsprungs zwischen von GlobTop-umgebener-Mikrostreifenleitung und luftumhüllter Mikrostreifenleitung.

Die oben liegende Kupferschicht zeigt links die Stripline, in die der Radar-Chip 301 das Sendesignal einspeist. In der Mitte liegt der Bereich mit dem gefüllten substratintegrierten Wellenleiter und der glatten Kupferoberfläche. Die durchsichtige Kontur, welche über der Stripline zur Signaleinspeisung und zur Hälfte über dem gefüllten Wellenleiter liegt, stellt das GlobTop Material dar. Auf der rechten Seite sieht man die Stripline im unvergessenen Bereich, die das Signal zum Hohlleiter 305 der Antenne 307 leitet.

Die Abschrägungen 104a, 104b an den Übergängen von den Striplines 103a, 103b auf die Masseflächen 102a, 102b des gefüllten Wellenleiters dienen der besseren Überleitung zwischen Stripline und gefülltem Wellenleiter und verbessern die Anpassung. Die Durchkontaktierungen 101 bilden die beiden Wandungen des gefüllten Wellenleiters.

Eine weitere Möglichkeit bildet die Verwendung von 3 Lagen in der Leiterplatte, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Die elektromagnetische Welle wird über Lambda/4 Striplines über den mittleren Layer transferiert. Der unterste Layer ist ein geschlossener Masselayer.

Fig. 8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. In Schritt 801 wird ein oben beschriebener Radarchip mit einer Hohlleitereinkopplung bereitgestellt. In Schritt 802 werden der Radarchip, seine erste Leitung und ein Teilbereich der Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters mit einer ersten Vergussmasse vergossen, zum Schutz des Radarchips vor mechanischen Belastungen. In Schritt 803 wird der Radarchip mit einer weiteren Vergussmasse vergossen, welche auf die erste Vergussmasse aufgebracht wird, zum Explosionsschutz.

Bei diesem Vorgang muss nicht darauf geachtet werden, dass keine Vergussmasse in den Hohlleiter bzw. die Antenne einfließt, da der Innenraum der Antenne bzw. des Hohlleiters dort, wo das Hochfrequenzsignal in den Hohlleiter bzw. die Antenne eingeführt ist, abgedichtet ist.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.