CN107437656B - 天线模块 - Google Patents

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Abstract

天线模块具有：多层基板；相控阵列天线，其具有配置在所述多层基板中的第二导体层的外面的多个天线元件，通过控制从所述多个天线元件发送的射频信号的相位来调整射束方向；射频(RF)芯片，其设置在所述多层基板中的多个第一导体层的外面，输出所述射频信号；匹配电路，其设置在所述第二导体层的外面，对所述多个天线元件的阻抗和与所述RF芯片的阻抗的匹配进行调整；通孔，其将所述多个第一导体层及所述第二导体层连接；孔，其将所述多个第一导体层连接在所述通孔的径向外侧。

Description

天线模块
技术领域
本发明涉及天线模块，例如，涉及具有相控阵列天线的小型且传输损耗少的天线模块。
背景技术
近年来，使用了毫米波带(30～300GHz)的汽车毫米波雷达正在普及。毫米波雷达通过从天线辐射毫米波带的电波，接受其反射波并进行信号处理，从而检测毫米波雷达与检测物体的距离、以毫米波雷达为基准的检测物体存在的方位、(角度)、与检测物体的相对速度。因此，对降低汽车彼此的碰撞事故、卷入步行者的事故的技术开发及低成本化正在进行探讨。由于毫米波雷达的普及中，低成本为一要素，故而对在安装进行毫米波的发送及接收的通信的RF(射频)芯片的天线模块中适用便宜且量产性优良的印刷基板进行探讨。
例如，在专利文献1中公开有如下的技术，即，控制在印刷基板上形成的通孔的特性阻抗，以减少天线元件与发送接收IC间的传输损耗的方式将孔构成形成为具有同轴构造的通孔构成。
专利文献1：(日本)特表2008－524845号公报
但是，在专利文献1记载的技术中，在基板的表层配置多个由配线图案形成的天线元件的情况下，由于避开具有同轴构造的孔而配置，故而难以有效地配置天线元件，基板的面积大，因此，成本高。
发明内容
本发明的非限定的实施例涉及具有多个天线元件的天线模块，有助于提供可抑制多个天线元件的缺损，能够自由且有效地配置，小型且RF芯片与天线间的传输损耗小的天线模块。
本发明一方面的天线模块具有：多层基板；相控阵列天线，其具有配置在所述多层基板中的第二导体层的外面的多个天线元件，通过控制从所述多个天线元件发送的射频信号的相位来调整射束方向；射频(RF)芯片，其设置在所述多层基板中的多个第一导体层的外面，输出所述射频信号；匹配电路，其设置在所述第二导体层的外面，对所述多个天线元件的阻抗和与所述射频芯片的阻抗的匹配进行调整；通孔，其将所述多个第一导体层及所述第二导体层连接；孔，其将所述多个第一导体层连接在所述通孔的径向外侧。
根据本发明的天线模块，涉及具有多个天线元件的天线模块，可抑制多个天线元件的缺损，并且能够自由且有效地配置，小型且能够减小RF芯片与天线间的传输损耗。
本发明一方面的进一步的优点及效果由说明书及附图明确。该优点及/或效果分别由几个实施方式及说明书和附图记载的特征而得到，但无需为了得到一个或一个以上的同一特征而全部满足上述优点及/或效果。
附图说明
图1是表示第一实施方式的天线模块的构成的一例的俯视立体图；
图2是表示第一实施方式的天线模块的构成的一例的仰视立体图；
图3是表示第一实施方式的天线模块的构成的一例的剖面图；
图4是表示第一实施方式的天线模块的构成的一例的俯视图；
图5是表示第一实施方式的天线模块的构成的一例的仰视图；
图6是表示第一实施方式的天线模块的变形例的俯视图；
图7是表示第二实施方式的天线模块的一例的剖面图；
图8是表示第二实施方式的天线模块的变形例的剖面图；
图9是表示第二实施方式的天线模块的其他变形例的剖面图；
图10是表示现有的具有同轴构造的基板的构成的一例的剖面图；
图11是表示现有的具有同轴构造的基板的构成的一例的平面图。
标记说明
1：第一层积部(第一电绝缘性基材)
1a：第一层积板
1b：第二层积板
1c：第三层积板
1d：第四层积板
2：第二层积部(第二电绝缘性基材)
3：通孔
4：孔
4a：微孔
4b：内孔
6：配线(天线)图案
7：阻焊剂
9：匹配电路
10：RF芯片
11：电路零件
100：天线模块
102：电绝缘性基材
104：通孔
106：阻抗调整构造
具体实施方式
例如，在毫米波雷达使用的天线模块设有由配线图案形成的天线元件。天线元件在印刷基板上通过配线图案与进行毫米波通信的RF芯片连接。认为抑制从发送用RF芯片输出的毫米波信号的电力的衰减而向天线传输并有效地向空间辐射时，将天线元件和发送用RF芯片连接的连接部的损耗减小。
另外，与接收处理同样地，为了抑制由天线接收的毫米波信号的反射波的衰减而向受信用RF芯片传输，希望减小将天线元件和受信用RF芯片连接的连接部的损耗。连接部的电力损耗是在毫米波雷达，检测距离变短或检测范围变窄的原因。
因此，在天线元件与发送接收IC间的连接部位，为了抑制电力的损耗，进行连接部位的特性阻抗的控制。特性阻抗的控制对配置在天线元件与RF芯片间的配线图案、连接基板的各层的孔进行。
图10是专利文献1中公开的孔构成的剖面图，图11是专利文献1中公开的孔构成的平面图。图10及图11所示的孔构成为具有同轴构造的通孔构成，通孔104及阻抗调整构造106具有调整为所希望的阻抗值的直径。在图10、图11所示的同轴构造的通孔构成的情况下，特性阻抗Z0(Ω)由下式1表示，其中，将电绝缘性基材102的比介质常数设为εr(无次元)，将通孔104的直径设为d2(mm)，将阻抗调整构造106的内径设为d1(mm)。
【式1】
Figure GDA0002701165340000041
但是，在专利文献1记载的技术中，难以有效地配置天线元件，基板的面积变大，成本增加。
以下，参照附图对本发明的各实施方式进行说明。其中，在各实施方式中，对具有同一功能的构成标注同一标记并省略重复的说明。另外，以下所示的全部附图表示构成的一例，为了便于说明，对各要素的尺寸进行了夸大表示，另外，根据需要而省略要素进行表示。
(第一实施方式)
图1是表示天线模块的构成的一例的俯视立体图。图2是表示天线模块的构成的一例的仰视立体图。图3是表示天线模块的构成的一部分的一例的剖面图。图4是表示天线模块的构成的一部分的一例的俯视图。图5是表示天线模块的构成的一部分的一例的仰视图。
在图1～图5中，天线模块100作为主要的构成要素，具有第一层积部1、第二层积部2、通孔3、孔4、配线(天线)图案6、阻焊剂7、匹配电路9、RF芯片10、电路零件11。
另外，在以下的说明中，将天线模块100中的、第一层积部1的外面称为天线模块100的表面，将第二层积部2的外面称为天线模块100的背面。另外，将图4中的下侧、Z轴的负方向(即、图5中的上侧、Z轴的负方向)称为外侧，将图4中的上侧、Z轴的正方向(即，图5中的下侧、Z轴的正方向)称为里侧，将图4及图5中的上下方向(Z轴方向)称为进深方向。另外，将图4及图5中的左右方向(X轴方向)称为宽幅方向。
第一层积部1层积有使用了第一电绝缘性基材的平板状部件，在图3中，第一层积部1例如从天线模块100的表面朝向天线模块100的背面(Y轴的负方向)依次层积有第一层积板1a、第二层积板1b、第三层积板1c及第四层积板1d。
作为形成第一层积部1的第一电绝缘性基材，可使用高频(例如，微波带域以上)特性佳的材料，例如使用了聚苯醚(PPE)树脂的PPE基材、使用了聚四氟乙烯(PTFE)树脂的PTFE基材、液晶聚合物(LCP)、聚酰亚胺(PI)等。
另外，作为形成第一层积部1的第一电绝缘性基材，例如可使用玻璃环氧树脂基材、热硬化性树脂、含有热可塑性树脂和无机填充剂的复合材料。作为热硬化性树脂，例如可列举环氧树脂等。作为要添加的无机填充剂，也可使用例如Al2O3、SiO2、MgO、AlN等填充剂。
第二层积部2为使用了第二电绝缘性基材的平板状部件，在第一层积部1的背面层积。在图3中，第二层积部2在第四层积板1d的背面层积。
作为形成第二层积部2的第二电绝缘性基材，例如与第一电绝缘性基材同样地，可使用高频特性佳的材料，例如使用了聚苯醚(PPE)树脂的PPE基材、使用了聚四氟乙烯(PTFE)树脂的PTFE基材、液晶聚合物(LCP)、聚酰亚胺(PI)。
另外，作为形成第二层积部2的第二电绝缘性基材，例如也可使用玻璃环氧树脂基材、热硬化性树脂、包含热可塑性树脂和无机填充剂的复合材料。作为热硬化性树脂，例如列举环氧树脂。作为要添加的无机填充剂，也可使用例如Al2O3、SiO2、MgO、AlN等填充剂。
另外，将形成第一层积部1的第一电绝缘性基材、形成第二层积部2的第二电绝缘性基材作为不同的基材进行说明。
通孔3将天线模块100的表面和背面电连接，在图3中，是在从天线模块100的表面贯通到背面的孔的壁面实施镀敷的孔。通孔3的直径为d3(mm)。
通孔3如下地形成。例如，在图3中，在通过热压将第一层积部1及第二层积部2层积之后，通过钻孔加工形成孔。之后，通过在孔的壁面实施镀敷，形成具有导电性的通孔3。通孔3的形成方法不限于此，除了钻孔加工之外还可使用穿孔加工。
另外，图3的孔4作为在第一层积部1的表面设有开口的非贯通孔而形成，如图4所示，包围通孔3的周围而形成。后文中对孔4进行详细说明。
配线图案6在图5中设置在第二层积部2的外面(天线模块100的背面)，包含相控阵列天线。在使用本构成进行毫米波带域的通信的情况下，相控阵列天线的发送频率和接收频率相同。
配线图案6例如将在进深方向(Z轴方向)上直线状地配置的微带线路6a、和在进深方向(Z轴方向)上并列设有6个的天线元件6b设为一组，在宽幅方向(X轴方向)上排列四组配线图案组而设置。另外，对各配线图案6具有六个天线元件6b的例子进行了说明。但天线元件的个数、角度、配置场所不限于此。例如，也可以为各配线图案6具有多于6个的数量、或者少于6个的数量的天线元件6b的构成。天线元件的角度既可以为任意角度，也可以为不将配置场所整齐排列的构成。另外，对配线图案6在第二层积部2的外面设置四组的例子进行了说明，但设置配线图案6的组数不限于此。例如，配线图案6可以在第二层积部2的外面以多于4组的组数、或者少于4组的组数构成。
在图5中，天线元件6b为环形天线元件。天线元件的形状可采用贴片型等公知的形状。与各自的天线6b电连接的直线图案6a经由在进深方向中央部形成的通孔3而与第一层积部1的表面连接。另外，在图3、图4中，设有配线图案6的第二层积部2的外面被阻焊剂7覆盖。
在图4中，匹配电路9为对天线元件6b与RF芯片10(后述)间的阻抗的偏差进行调整的匹配电路。匹配电路9对在天线电路内的各个部位产生的、例如在天线元件6b、微带线路6a、通孔3、RF芯片10内的输入/输出阻抗的至少一个产生的、阻抗的偏差，调整成所希望的值。
匹配电路9在图1及图4中设置在第一层积部1的外面，将通孔3和RF芯片10连接。匹配电路9在进深方向(Z轴方向)上直线状地配置，在里侧端部与通孔3连接，在外侧端部与RF芯片10连接。
在图1中，匹配电路9例如对应于上述的4组配线图案组而设有4组。另外，第一层积部1的外面如图3所示地被阻焊剂7覆盖。
RF芯片10在图1中由BGA(Ball Grid Array)封装组装，设置在第一层积部1的外面。RF芯片10经由匹配电路9、通孔3而与配线图案6连接。
另外，在由BGA封装组装RF芯片10的情况下，可以在BGA封装的焊球与第一层积部1的外面的接合部周围形成作为填充剂的底部填充剂。另外，底部填充剂也可以覆盖匹配电路9的一部分。通过底部填充剂能够缓和施加在BGA封装与第一层积部1的外面的接合部的应力及变形，能够提高安装的可靠性。
电路零件11在图1中设置在第一层积部1的外面。对电路零件11适当省略详细的说明。
接着，使用图3及图4对非贯通构造的孔4进行说明。
在图4中，对一个通孔3，包围通孔3而设有多个非贯通构造的孔4。
各个孔4在图3中为使微孔4a和内孔4b重合的堆(堆积)构造。另外，孔4也可以不为堆积构造，而由微孔4a或内孔4b构成。
在图3中，微孔4a是例如在贯通第一层积板1a的孔的壁面实施了镀敷的保形孔。在图3中，微孔4a如下地形成。首先，在第一层积板1a例如通过激光加工而形成孔。接着，通过对孔的壁面实施镀敷，形成具有导电性的微孔4a。
激光加工的光源例如使用碳酸气激光、YAG激光、准分子激光。若使用激光加工，则能够在短时间内形成小径的贯通孔，能够实现生产性优良的加工。
另外，微孔4a的形成方法不限于此，也可以代替激光加工而使用穿孔加工、钻孔加工。另外，也可以代替在孔的壁面实施镀敷，通过利用镀敷将孔整体填埋而形成场控孔(フィルドビア)，还可以利用导电性膏填充孔。
内孔4b形成从第二层积板1b贯通到第四层积板1d的孔，是在孔壁面实施了镀敷的内孔。在实施了镀敷的孔内部填充导电性膏。能够缓和相对于内孔4b堆积(堆叠)微孔4a而产生的应力，能够提高内孔4b的可靠性。
在图3中，内孔4b在与微孔4a同轴上堆积。由此，能够抑制由微孔4a和内孔4b的连接而导致的连接不良，提高天线模块100的可靠性。
另外，在图3中，例如形成内孔4b的孔的直径与形成微孔4a的孔的直径大致相同。即，从通孔3的壁面到形成微孔4a的孔的壁面中最接近通孔3的壁面的部位的距离与从通孔3的壁面到形成内孔4b的孔的壁面中最接近通孔3的壁面的部位的距离大致相同。
这样，通孔3与包围通孔3而形成的堆积构造的微孔4a及内孔4b的距离相等，孔4部分的阻抗调整变得容易。
经由通孔3而连接的部位的阻抗由通孔3与在通孔3的周围配置的孔4的距离L(参照图3)决定。孔4例如具有天线模块100的接地电位。
另外，在通孔3的周围配置的孔4也可以如图6所示的变形例那样地配置在以通孔3为中心的同一圆周上。由此，通孔3与在通孔3的周围配置的微孔4a及内孔4b的堆积构造即全部的孔4的距离相等，孔4引起的阻抗调整变得容易。其中，在由制造上的理由而难以进行这样的配置的情况下，不限定于此。
在表层(第一层积板1a)配置的微孔4a和在内层(从第二层积板1b到第四层积板1d)配置的内孔4b配置在使用了第一电绝缘性基材的第一层积部1。由此，能够防止由第一电绝缘基材与第二电绝缘基材的热膨胀系数的不同导致的微孔4a与内孔4b的连接引起的连接不良，天线模块100的可靠性提高。
以上，根据第一实施方式的构成，天线模块100通过在通孔3的周围配置堆积构成的孔4，在具有多个天线元件的天线模块中，能够抑制多个天线元件的缺损并且自由且有效地配置多个天线元件，小型且RF芯片与天线间的传输损耗小。
(第二实施方式)
以下，使用图7～图9对第二实施方式的天线模块的构成进行说明。
图7是表示第二实施方式的天线模块的一例的剖面图。图8是表示第二实施方式的天线模块的变形例的剖面图。图9是表示第二实施方式的天线模块的其他变形例的剖面图。
在第二实施方式的天线模块200中，与第一实施方式的天线模块100的不同之处在于，具有在表层形成的微孔4a、和在内层形成的内孔4b在天线模块200的厚度方向(Y轴方向)上不在同轴上，台阶状地连接的构造。在第二实施方式中，其他的构成与第一实施方式的天线模块100的构成相同。
在图7中，在表层(第一层积板1a)配置的微孔4a、和在内层(从第二层积板1b到第四层积板1d)配置的内孔4b台阶状(工作人员防护构成)地连接。即，微孔4a与通孔3的距离比内孔4b与通孔3的距离近。
另外，在表层形成的微孔4a和在内层形成的内孔4b可以为图8所示的台阶状形状。该情况下，内孔4b与通孔3的距离比微孔4a与通孔3的距离近。
通过形成图7及图8的构成，也可以在由导电性膏填充内孔4b且将内孔内部填埋之后，以通过镀敷将开口孔堵塞的方式不进行盖镀敷，故而能够缩短周期。
另外，在图9中，可以使微孔4a和内孔4b的直径不同，使通孔3与微孔4a的孔壁间距离L1、和通孔3与内孔4b的孔壁间距离L2相等而进行堆积。另外，在图9中，微孔4a的直径比内孔4b的直径小。由此，通孔3的阻抗的设计以及调整变得容易。
(第三实施方式)
以下，对第三实施方式的天线模块进行说明。
在第三实施方式中，对形成有相控阵列天线的第二层积部2的介质常数及介质损耗比设有匹配电路9的第一层积部1的介质常数及介质损耗小的天线模块进行说明。
为了减小自天线元件6b的传输损耗，例如减小介质常数及介质损耗。在毫米波带的天线面积大的情况下，通过使用低介质、低介质损耗的基材能够抑制传输损耗。
由于低介质常数、低介质损耗基材的价格高昂，故而如上述地，通过在使用材料的容量比第一层积部1少的第二层积部2使用低介质常数、低介质损耗基材，能够抑制天线模块100的成本增加。
另外，与第一实施方式同样地，在表层形成的微孔4a和在内层形成的内孔4b在使用了第一电绝缘性基材的第一层积部1形成。由此，由于第一电绝缘基材与第二电绝缘基材的热膨胀系数的不同，能够防止将微孔4a和内孔4b连接而产生的连接不良，能够提高天线模块100的可靠性。
(第四实施方式)
以下，对第四实施方式的天线模块进行说明。
在第四实施方式中，通孔3与在通孔3的周围配置的、微孔4a和内孔4b的堆积构成即孔4的距离设定为相控阵列天线的发送频率及接收频率的波长λ的1/4以下。
例如，具有以77GHz(毫米波带域)进行通信的天线，在作为第二电绝缘性基材使用介质常数为3的PTFE基材的情况下，在天线模块100传输的1波长约为2.25mm，1/4波长约为0.56mm。
因此，例如通过使通孔3与孔4的距离为0.56mm以下，能够抑制从通孔3向周围泄漏的毫米波带域的电磁场，减小传输损耗。
在图10、图11所示的现有的具有同轴构造的通孔构成中，在使用介质常数低的基材使通孔104与阻抗调整构造106的距离为0.56mm以下的情况下，在孔形成过程中，在基材上产生裂痕，难以实现。
在第四实施方式中，通过使用在通孔3的周围配置的孔4，即使将通孔3与孔4的距离设为0.56mm以下，在孔形成过程中在基材上产生裂痕的可能性低，能减小通孔3与孔4的距离而降低传输损耗。
(第5实施方式)
以下，对第五实施方式的天线模块进行说明。
在第五实施方式中，配置相控阵列天线的第二电绝缘性基材的主材料和配置匹配电路9的第一电绝缘性基材的主材料设为相同的材料而进行说明。
电绝缘性基材的介质常数可根据要添加的填充剂的充填率、直接、材料而进行变更。通过将主材料第一电绝缘性基材的主材料和第二电绝缘性基材的主材料形成为同一材料，能够进一步减少例如基板制造时的剥离这样的制造不良的发生，天线模块的可靠性提高。另外，由第一电绝缘性基材和第二电绝缘性基材，将热膨胀系数、弹性率设定为接近的值也变得容易，故而能够减少天线模块100的翘曲，能够提高RF芯片的安装工序中的可靠性。
以上，对本发明的各实施方式进行了说明，但本发明不限于实施方式的说明。
在上述的各实施方式中，将天线模块100形成为由第一层积部及第二层积部构成的层积构造，但天线模块100的构造不限于此。例如，可以将天线模块100设为一层，在一面设置RF芯片，在另一面设置相控阵列天线，在天线模块100的一面设置贯通到另一面的通孔、和不贯通到另一面的非贯通孔。
本发明能够由软件、硬件、或者与硬件联合的软件而实现。
上述实施方式的说明中使用的各功能块部分地或整体地作为集成电路即LSI而实现，上述实施方式中说明的各工艺也可以通过一个LSI或LSI的组合而部分地或整体地控制。LSI既可以由各个芯片构成，也可以包含功能块的一部分或全部而由一个芯片构成。LSI也可以具备数据的输入和输出。LST由于集成度的不同，也被称为IC、系统LSI、超LSI、大规模LSI。
集成电路化的方法不限于LSI，也可以由专用电路、通用处理器或专用处理器来实现。另外，也可以利用在LSI制造后，可编程的FPGA(Field Programmable Gate Array)、可再构成LSI内部的电路单元的连接及设定的可重构处理器。本发明也可以作为数据处理或模拟处理而实现。
另外，通过半导体技术的发展或衍生的其他技术而置换成LSI的集成电路化的技术出现的话，显然可以使用该技术进行功能块的集成化。可适用于生物技术等。
本发明的天线模块可适用于具有毫米波信号用的多个天线元件的天线模块。

Claims (6)

1.一种天线模块，其具有：
多层基板；
配线图案，其具有配置在所述多层基板中的第二层积部的外面的多个天线元件、以及电连接至各天线元件的微带线路；
射频(RF)芯片，其设置在所述多层基板中的多个第一层积部的外面，输出射频信号；
匹配电路，其设置在所述多个第一层积部的外面，对所述多个天线元件的阻抗和与所述射频芯片的阻抗的匹配进行调整；
多个通孔，其呈直筒状，将所述多个第一层积部和所述第二层积部连接；
多个孔，其配置在所述多个通孔中的每个通孔的径向外侧；
所述微带线路经由所述多个通孔在所述多个第一层积部的外面上与所述多个天线元件结合，
所述多个孔中的每个孔包围所述多个通孔中的每个通孔而布置，
所述多个孔中的每个孔将所述多个第一层积部的厚度方向连接，
所述多个孔中的每个孔与所述第二层积部不连接，
所述多个孔分别与接地电位连接，所述多个孔中的每个孔包含第一孔和第二孔，
所述第一孔呈直筒状，配置在所述多个第一层积部的外层，
所述第二孔呈直径相同的直筒状，配置在所述多个第一层积部的内层，并在同一轴上层积，
所述第一孔和所述第二孔在不同的轴上层积。
2.如权利要求1所述的天线模块，其中，
所述第一孔的直径和所述第二孔的直径相同。
3.如权利要求1所述的天线模块，其中，
所述第一孔的直径和所述第二孔的直径不同。
4.如权利要求1所述的天线模块，其中，
构成所述第二层积部的电绝缘性基材的介质常数及介质损耗比构成所述多个第一层积部的电绝缘性基材的介质常数及介质损耗小。
5.如权利要求1～3中任一项所述的天线模块，其中，
所述多个通孔中的每个通孔与所述多个孔中的相邻的孔之间的距离为所述射频信号的频率的波长的1/4。
6.如权利要求1～4中任一项所述的天线模块，其中，
构成所述多个第一层积部的电绝缘性基材的主材料和构成所述第二层积部的电绝缘性基材的主材料相同。
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