Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 102019 217 736.0, 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 300GHz 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 Hohlleiterder 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 und/oder zum Auskoppeln eines Radarsignals aus der Antenne bzw. dem Hohlleiter. 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 Leitung, einem Strahlerelement und einem dazwischen angeordneten und daran angeschlossenen substratintegrierten 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 können die an dem zu messenden Medium reflektierten Radarsignale über diese Anordnung von der Antenne zum Radarchip übertragen werden.

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 Leitung, das Strahlerelement 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 Leitung und eine Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters in derselben Ebene des Hochfrequenzsubstrats angeordnet, wobei das Strahlerelement und eine Unterseite des substratintegrierten Wellenleiters in einer anderen Ebene angeordnet sind. Gemäß einer Ausführungsform sind die Zuführung bzw. Leitung und die Oberseite des dazwischen angeordneten substratintegrierten Wellenleiters auf der Oberfläche des Hochfrequenzsubstrats angeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Leitung mit einem Anfangsbereich der Oberseite des Hohlleiters verbunden bzw. daran angeschlossen. Bei diesem Anfangsbereich handelt es sich beispielsweise um die „Vorderkante“ der Oberseite. Das Strahlerelement 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 Leitung und des Strahlerelements. 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 Oberseite des substratintegierten Wellenleiters 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 Leitung geringer als die Breite des Strahlerelements.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Radarchip mit der Hohlleitereinkopplung eine Vergussmasse auf, in welcher der Radarchip, die 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 einer weiteren Ausführungsform weist die Leitung eine erste An passstruktur im Bereich des Anschlusses an dem substratintegrierten Wellenleiter auf. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann das Strahlerelement bzw. seine Anschlussleitung 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 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 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 Hohlleiters ist es möglich, eine Abdichtung zwischen der Vergussmasse und dem 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 die Hohlleitereinkopplung der Fig. 1 ohne Rundhohlleiter.

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 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 300GHz 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 103, im Kontext der vorliegenden Offenbarung auch als „Leitung“ bezeichnet, zwischen der oben liegenden Leiterbahn und dem Masse-Layer im Dielektrikum der PCB aus. Diese Welle wird in einen aus dem PCB-Material 302, 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.

Der substratintegrierte Wellenleiter 102a, 102b, 101 führt direkt in den Hohlleiter 305 der Antenne und das Hochfrequenzsignal wird dort eingekoppelt. Vorteilhaft erweisen sich dabei Anpassstrukturen in Form von Tapern 104, die aus hochfrequenztechnischer Sicht einen dämpfungs- und reflexionsärmeren Übergang zwischen den jeweiligen Leitungsstrukturen schaffen. Im Inneren des Hohlleiters 305 wird die elektromagnetische Welle über ein entsprechend abgestimmtes Erregerpatch 201 , welches auf der gleichen Ebene wie die obere Metallschicht des substratintegrierten Wellenleiters liegt und wie diese Fläche ebenfalls auf Massepotential liegt, oder eine andere Art von Strahlerelement in den Hohlleiter der Antenne eingespeist. Der Resonatortopf (Resonatorelement) 308 stellt eine Möglichkeit dar, das Hochfrequenzsignal, das auf einer Leiterplatte geführt wird, breitbandig in den Hohlleiter zu überführen (einzukoppeln) und umgekehrt. Ohne das Resonatorelement könnte das Signal nur schmalbandig übertragen werden. 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) 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 hinein bewegt, löst sich vom Strahlerelement 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 309 kann jetzt bis auf die glatte Oberfläche 102a des im Substrat integrierten Wellenleiters 102a, 102b, 101 , 302 hinausgeführt werden. Der substratintegrierte Wellenleiter ist aufgrund seiner Beschaffenheit vollkommen unabhängig von Dingen, die sich auf dessen Ober- und Unterseite befindet, so auch vom GlobTop Material. Daher ist es an dieser Stelle wenig relevant, wie weit das GlobTop in seiner flüssigen Form auf den substratintegrierten Wellenleiter fließt.

Da man jetzt die gesamte Mikrostreifenleitung auf der dem Radarchip zugewandten Seite unter GlobTop Material vergießen kann, kann man die Impedanz der Leitung auf eine definierte Impedanz von zum Beispiel 50 Ohm abstimmen. Der Taper 104 ist dabei 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 Figur 4. Eine Dichtfläche ist dabei nicht mehr nötig, da es keine Öffnung mehr in den Hohlleiter der Antenne gibt und somit die oben beschriebene Vergussmasse nicht in den Hohlleiter hineinfließen, gleichzeitig aber das Hochfrequenzsignal in den Hohlleiter eingekoppelt werden kann.

Fig. 2 zeigt die Hohlleitereinkopplung der Fig. 1 ohne Rundhohlleiter. Die metallische Oberseite 102a des substratintegrierten Wellenleiters mündet in einer ringförmigen Struktur, die ebenfalls mittels Durchkontaktierungen an den unteren Kupferlayer 102b angeschlossen ist. Die beiden Layer 102a, 102b müssen keine ringförmigen Endbereiche aufweisen. Jedoch ist es vorteilhaft, wenn sie zumindest eine kreisförmige Innenkontur aufweisen, damit das Strahlerelement 201 ausreichend Platz hat. Es bietet sich an, die Innenkontur der beiden Layerendbereiche an die Innenkontur das darauf aufsetzenden Hohlleiters 402 anzupassen, so wie dies in den Figuren gezeigt ist (hier ist der Hohlleiter 402 ein Rundhohlleiter). Die Innenkonturen können aber auch oval oder rechteckig sein. Im letzteren Fall spricht man von einem Rechteckhohlleiter.

Die Figuren 5 und 6 zeigen jeweils die Draufsicht auf entsprechende Radarmodule. Figur 5 zeigt hierbei die Ausführungsform der Figur 3. Figur 6 zeigt den Fall, dass das GlobTop Material 309 durch den substratintegrierten Wellenleiter auf der Mikrostreifenleitung einen definierten Abschluss findet.

Ein wichtiger Aspekt ist es, dass die Abdichtung zwischen der vergossenen Elektronik und dem luftgefülltem Hohlleiter entfällt, und zwar durch den direkten Anschluss des substratintegrierten Wellenleiters an den Hohlleiter. Die elektromagnetische Energie wird dabei im Dielektrikum der Platine bei durchgängiger ununterbrochener Massefläche transportiert. Somit entfällt der Rücksprung auf eine Mikrostreifenleitung, was wiederum vorteilhaft hinsichtlich Übertragungsverhalten ist.

Ein weiterer Aspekt betrifft die Vermeidung von Undefinierten Stellen des Impedanzsprungs zwischen von GlobTop-umgebener-Mikrostreifenleitung und luftumhüllter Mikrostreifenleitung.

Ein toleranzbehaftetes „Tor“ zum Hohlleiter hin kann entfallen, wodurch weniger Streuung der Performance in der Fertigung auftritt.

Auch kann der Abstand zwischen dem Radarchip und dem Hohlleiter verringert werden, wodurch eine kompaktere Bauweise möglich ist. Die oben liegende Kupferschicht, die in Figur 1 zu sehen ist, zeigt links die Stripline 103, auf die der Radar-Chip 301 einspeist. In der Mitte liegt der Bereich mit dem substratintegrierten Wellenleiter und der glatten Kupferoberfläche. Die durchsichtige Kontur 309 (vgl. Figur 6), welche über der Stripline zur Signaleinspeisung und zur Hälfte über dem gefüllten substratintegrierten Wellenleiter liegt, stellt das GlobTop Material dar. Auf der rechten Seite sieht man den substratintegrierten Wellenleiter, der das Signal in die Antenne leitet.

Die Abschrägungen 104 am Übergang der Stripline 103 auf die Massefläche 102a des Wellenleiters dienen der besseren Überleitung zwischen Stripline und Wellenleiter und verbessern die Anpassung und reduziert somit die Reflexionen. Die Durchkontaktierungen 101 bilden die beiden Wandungen des gefüllten Hohlleiters und verbinden die Kupferflächen

102a und 102b.

Die elektromagnetische Welle wird über ein Patch 201 , welches am Ende des substratintegrierten Wellenleiters am oberen Kupferlayer 102a angeschlossen ist, im Hohlleiter angeregt. Die beiden Kupferflächen 102a und 102b können dabei auf das Ground- Potential (Masse) gelegt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, den Anschluss des Erregerpatches am unteren Masselayer 102b anzuordnen. Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. In Schritt 701 wird ein oben beschriebener Radarchip mit einer Hohlleitereinkopplung bereitgestellt. In Schritt 702 werden der Radarchip, seine Leitung und ein Teilbereich der Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters mit einer ersten Vergussmasse vergossen, zum Schutz des Radarchips vor mechanischen Belastungen. In Schritt 703 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.