JP2001308631A - アンテナ一体化マイクロ波・ミリ波モジュール - Google Patents

アンテナ一体化マイクロ波・ミリ波モジュール

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高効率で小型、軽量でかつ高効率なアンテナ
一体化マイクロ波・ミリ波モジュールを提供する。 【解決手段】 半導体チップ8には、マイクロ波回路ま
たはミリ波回路が形成されている。多層基板1は第1の
誘電体基板1a,第2の誘電体基板1b,第3の誘電体
基板1cからなる。第1の誘電体基板1aには半導体チ
ップ8を搭載する高周波回路線路2が形成されている。
第2の誘電体基板1bには、一方側にスロット孔4が形
成されているとともに、アンテナ給電線路5が形成され
ている。第3の誘電体基板1cには電磁波を放射する複
数のスロット孔10が形成されている。多層基板1に
は、有機基板7が接着層11により貼り付けられてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アンテナ一体化マ
イクロ波・ミリ波モジュール構造に関し、特に、アンテ
ナ効率と指向性を向上させたスロットアンテナを一体化
したマイクロ波・ミリ波モジュールに関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】近年、情報量の増大に伴い、高速・大容
量データ伝送手段として、マイクロ波やミリ波のような
高周波での無線通信が注目されている。このような通信
においては送受信機として、アンテナとマイクロ波・ミ
リ波回路とを一体化させた、小型・軽量で高性能のアン
テナ一体化マイクロ波・ミリ波回路が必要となってく
る。
【0003】従来のスロットアンテナは、マイクロスト
リップ線路のストリップ導体の開放端に対し、誘電体を
介して、対抗する位置にスロットを設け、マイクロスト
リップ線路とスロットを電磁的に結合する構造になって
いる。
【0004】図4は従来のスロットアンテナを示す多層
基板の断面図である。図において、101はスルーホー
ル、102はストリップ導体の接続導体、103はトリ
プレート型ストリップ線路、104はスロット孔であ
る。放射素子としては、スロットアンテナが用いられ、
RF信号回路を含めてトリプレート型ストリップ線路1
03で構成され、これらが多層基板構成にされている。
電磁波はこれらのRF信号回路を経由してスロット孔1
04から放射され、各誘電体基板間は多数のスルーホー
ル101により接続されている。また、スロットアンテ
ナの周辺にも多数のスルーホール101が形成されてい
る(例えば、電子通信学会総合全国大会講演論文集(1
982)参照)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来例においては、次のような欠点を有している。つま
り、アンテナ給電線路がRF信号回路と一体化して、多
層基板構成をとる場合、基板間の導体接続を多く必要と
し、平行平板モードを抑制するためスロット孔周辺にも
接地導体板間を接続する多数のスルーホールを必要とす
るなど、給電回路の構造が複雑になり、作製が極めて困
難になるという課題があった。
【0006】また、システムを小型にできる点ではメリ
ットを有するが、スロット孔のインピーダンスと空間の
インピーダンスにミスマッチがあり、アンテナとしての
効率が一般的に低いものであった。
【0007】本発明は、以上のような事情を考慮してな
されたものであり、高効率で小型、軽量でかつ高効率な
アンテナ一体化マイクロ波・ミリ波モジュールを提供す
ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】第1の発明のアンテナ一
体化マイクロ波・ミリ波モジュールは、マイクロ波回路
またはミリ波回路が形成された半導体チップと、第1の
表面に前記半導体チップを搭載する高周波回路線路が形
成されており、第1の内層に第1のスロット孔を有し、
第1の内層に対して第1の表面とは反対側に位置する第
2の内層にアンテナ給電線路を有し、第1の表面の対面
である第2の表面に電磁波を放射する複数の第2のスロ
ット孔が形成された多層基板と、第2の表面に貼り合わ
された有機基板と、を備えたことを特徴とする。
【0009】第2の発明のアンテナ一体化マイクロ波・
ミリ波モジュールは、第1の発明のアンテナ一体化マイ
クロ波・ミリ波モジュールにおいて、前記有機基板は、
前記多層基板に貼り合わせ樹脂により貼り合わせられて
おり、前記有機基板と前記貼り合わせ樹脂の厚さの合計
が、前記有機基板中における実効波長の0.1倍から
0.3倍の厚みに形成されていることを特徴とする。
【0010】第3の発明のアンテナ一体化マイクロ波・
ミリ波モジュールは、第1の発明または第2の発明に記
載のアンテナ一体化マイクロ波・ミリ波モジュールにお
いて、前記有機基板を前記多層基板に貼り合わせる材料
が、シリコーン系樹脂、又は、フッ素を含有する樹脂か
らなることを特徴とする。
【0011】第4の発明のアンテナ一体化マイクロ波・
ミリ波モジュールは、マイクロ波回路またはミリ波回路
が形成された半導体チップと、前記半導体チップを搭載
する高周波回路線路と、第1のスロット孔を介して前記
高周波回路線路と電磁界結合するアンテナ給電線路と、
該アンテナ給電線路に対して第1のスロット孔とは反対
側に位置し、電磁波を放射する第2のスロット孔と、を
備えてなり、第2のスロット孔は、前記アンテナ給電線
路により給電される給電スロット孔と、給電されない無
給電スロット孔とからなり、前記無給電スロット孔と前
記給電スロット孔との間隔は、λを実効波長、nを1以
上の整数としたときに、略(0.5+n)λであること
を特徴とする。
【0012】第5の発明のアンテナ一体化マイクロ波・
ミリ波モジュールは、第4の発明のアンテナ一体化マイ
クロ波・ミリ波モジュールにおいて、前記無給電スロッ
ト孔と前記給電スロット孔との間隔は、λを実効波長と
したときに、略1.5λであることを特徴とする。
【0013】第6の発明のアンテナ一体化マイクロ波・
ミリ波モジュールは、第4の発明または第5の発明のア
ンテナ一体化マイクロ波・ミリ波モジュールにおいて、
前記高周波回路線路、第1のスロット孔、前記アンテナ
給電線路、第2のスロット孔は多層基板により構成され
ており、前記多層基板の第1の表面に前記高周波回路線
路が形成され、第1の内層に第1のスロット孔が形成さ
れ、第1の内層に対して第1の表面とは反対側に位置す
る第2の内層にアンテナ給電線路が形成され、第1の表
面の対面である第2の表面に第2のスロット孔が形成さ
れており、第2の表面に、有機基板が貼り合わされてこ
とを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。なお、実施の形態を説明するため
の全図において同一の機能を有するものは同一の符号を
付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0015】図1は、(a)本実施の形態のアンテナ一
体化モジュールの断面図、(b)貼り合わせ部の拡大図
である。なお、本実施の形態では、本発明を60GHz
帯のミリ波モジュールに適用した例について説明する。
【0016】図1において、1aは第1の誘電体基板、
1bは第2の誘電体基板、1cは第3の誘電体基板であ
り、1は1a、1b、1cから構成される多層基板であ
る。2は高周波回路線路(マイクロストリップ線路)、
3、6は導体層、4、10はスロット孔、5はアンテナ
給電線路、7は有機基板、8は半導体チップ、9は金属
キャップ、11は接着層(樹脂層)である。
【0017】第1の誘電体基板1aの一方の面(多層基
板1における第1の表面)には高周波回路線路2が金メ
ッキにより形成され、第3の誘電体基板1cの一方の面
(多層基板1における第2の表面)には、アンテナ素子
となる複数のスロット孔10(例えば16素子、36素
子等のスロット孔)を有する導体層6と、他面(多層基
板1における第2の内層)には、複数のスロット孔10
に給電するアンテナ給電線路5が形成されている。また
第2の誘電体基板1bの一方の面(多層基板1における
第1の内層)には、略全面にスロット孔4を備えた導体
層3が形成されている。なお、直流信号や中間周波数信
号を内部から外部へ出すための多層基板1の周囲には、
スルーホールが配置されているが、ここでは図示しな
い。
【0018】多層基板1は線膨張係数が4〜10ppm
/℃のセラミック基板であり、150μm厚の3層から
なり、全体の厚みは450μm厚である。多層基板1の
表層の高周波回路線路2上に搭載する半導体チップ8
は、従来技術であるボールボンド法によりAuバンプが
形成されており、そのAuバンプを介し、熱圧着による
フリップチップ法により多層基板1上に接続されてい
る。なお、このセラミック基板としては、厚膜回路基
板、薄膜回路基板、特殊機能基板等を用いることができ
る。
【0019】また、金属キャップ9はコバール等の片面
に半田材料をクラッドした材質からなり、半田付けによ
り多層基板1に固定されている。
【0020】有機基板7は、有機樹脂、有機樹脂からな
る複合材料等からなる基板(具体例:ガラスフッ素基
板)であり、厚みは接着層11と合わせて350μm厚
から800μm厚である。
【0021】次に、多層基板1に形成されたアンテナ給
電線路5、高周波回路線路2、スロット孔4、10の配
置関係を説明する。図2はその位置関係を示す図であ
り、図1の多層基板1を層厚方向に見た図である。
【0022】この図に示すように、第2の誘電体基板1
bに形成されたスロット孔4に対して、第1の誘電体基
板1aに形成された高周波線路2、及び、第3の誘電体
基板1cに形成されたアンテナ給電線路5は、層厚方向
に重なるように配置されている。
【0023】第3の誘電体基板1cに形成されたスロッ
ト孔10は、給電スロット孔10aと無給電スロット孔
10bとから構成されており、給電スロット孔10aの
みが、アンテナ給電線路5と層厚方向に重なるよう配置
されている。すなわち、給電スロット孔10aのみがア
ンテナ給電線路5により給電されることとなっている。
【0024】また、給電スロット孔10aと無給電スロ
ット孔10bは、スロット孔の伸びる方向に垂直な方向
(電波が伝搬する方向(図中X方向))に交互に設けら
れており、各間隔は多層基板1中における波長(以下、
実効波長と記す)の略1.5倍に設定されている。
【0025】以上説明した構成の本実施の形態のアンテ
ナ一体化モジュールでは、半導体チップ8が接続された
高周波回路線路2を伝送したRF信号が、スロット孔4
との構成で生じる電磁結合により、アンテナ給電線路5
を介し、スロット孔10aに給電され、放射される。
【0026】このスロット孔10aから放射された電磁
波の一部は、多層基板内に洩れ、導体層3で反射され
る。この電磁波はスロット孔10aの伸びる方向に対し
て垂直方向に、より顕著に洩れる。また、電磁波は導体
層3で反射する位相が反転する。ここで、アンテナ給電
線路5で給電されるスロット孔10aに対して、多層基
板内での実効波長に対して略1.5波長に相当する位置
に無給電のスロット孔10bがあり、且つ、給電スロッ
ト孔10aと導体層3との間隔が実効波長に対して無視
できるほど小さいため、上記の洩れ電磁波は、給電スロ
ット孔10aと同位相で無給電スロット孔10bから放
射されることになる。したがって、無給電スロット孔1
0bは無給電であるにも関わらず、あたかも給電スロッ
ト孔10aと同様に働く。
【0027】以上より、本来は洩れ電磁波として基板端
から放射される無効な電磁波を、本実施の形態の構成で
は、所望の電磁波として放射することが可能となる。
【0028】また、本実施の形態のように配列すること
により、例えば、図2に記載の例では給電スロット孔1
0aが16素子であるのに対して、全スロット孔数は3
6素子となり、全体として給電スロット孔10aの2倍
以上のスロット孔を具備することが可能となる。したが
って、すべてのスロット孔に対して給電する場合と比較
して、アンテナ給電線路5を短くすることが可能である
ため、アンテナ給電線路5における伝送損を低減でき、
その結果アンテナ効率を高めることが可能となる。
【0029】なお、ここでは、給電スロット孔10aと
無給電スロット孔10bの間隔を実効波長の略1.5倍
にとしたが、これに限るものではなく、多層基板1内で
の実効波長に対して、略(0.5+n)倍(nは0以上
の整数)であれば、それぞれのスロット孔から放射され
る電磁波の位相が同相となる。但し、上記間隔が実効波
長の略0.5倍であるときには、給電スロット孔10a
同士の間隔の間隔が略1波長となり、ある給電スロット
孔10aからの漏れ電磁波が位相が反転して隣の給電ス
ロット10aから放射されることになるため、電磁波が
弱められてしまう。したがって、給電スロット孔10a
と無給電スロット孔10bの間隔は、略(0.5+n)
倍(nは1以上の整数)であることが望ましい。ここ
で、nが大きくなると、無給電スロット10bからの放
射量が減るため、n=1のときに最も大きな効果を得る
ことができる。なお、給電スロット孔10aと無給電ス
ロット孔10bの間隔が実効波長の(0.5+n)倍
(nは1以上の整数)である場合(例えば1.5倍であ
る場合)、給電スロット孔10a同士の間隔は略(1+
2n)波長分(例えば3波長分)となり、上述のよう
に、ある給電スロット孔10aからの漏れ電磁波が位相
が反転して隣の給電スロット10aから放射されること
になるが、それらの間隔は3波長以上であるため、ほと
んど問題とはならない。
【0030】次に、有機基板7について説明する。
【0031】上述したように、有機基板7は多層基板1
に対して電磁波の放射側に貼り合わせられている。この
貼り合わせは、例えば以下のように行う。まず、半導体
チップ8が搭載された多層基板1の他方の面上に、接着
剤や樹脂をディスペンサー等で塗布し、貼りあわせる基
板コーナーには位置ずれ防止のために、仮止め用のUV
樹脂を前記接着剤や前記樹脂と同様に多層基板の他方の
面上に塗布する。次に、金属キャップ9された多層基板
1をステージ内に加工した凹状を有する部分に載置し吸
着する。前記有機基板7を加圧ツールに吸着させ、前記
多層基板1と前記有機基板7を位置合せし、接着剤や樹
脂を介し、基板1,7同士を貼り付ける。
【0032】本実施の形態のアンテナ一体化モジュール
では、多層基板1上の高周波回路線路2を伝送したRF
信号はスロット孔4との構成で生じる電磁界結合によ
り、アンテナ給電線路5を介し、複数のスロット孔10
に給電される。有機基板7を有していない場合、スロッ
ト孔10のインピーダンスは空間のインピーダンスと異
なるため、前記複数からなるスロット孔10から空間に
直接、電磁波を放射しようとしても、インピーダンス不
整合により反射され、アンテナ特性の低下が生じる。そ
こで、本実施の形態では、複数のスロット孔10を全面
覆うように、有機基板7を貼り合わせることにより、各
スロット孔10から放射される有機基板内の表面波を互
いに相殺し、電波を高効率で空間に放射することを可能
としている。
【0033】図3は、有機基板厚7に対するスロットア
ンテナの60GHz帯でのアンテナ特性のシミュレーシ
ョン結果を示す図である。この図より、特に、有機基板
厚7が600μm厚であるときにアンテナゲインが最大
となり、350μmから800μm厚程度が好ましいこ
とが分かる。実際には、貼り合わせに用いる接着層(樹
脂層)11の厚みもアンテナ特性に関係してくるため、
モジュールを構成する有機基板7と接着層11の厚みの
合計が、350μm厚から800μm厚(有機基板7内
での実効波長の0.1倍〜0.3倍)程度が望ましい。
なお、ここでは、接着層11は有機基板7よりもはるか
に薄いため、接着層11の屈折率等の特性は有機基板7
と同等であると仮定している。
【0034】ところで、線膨張係数が1桁異なる有機基
板7を多層基板1の一体化すると、通常25mmあたり
10μm以上の反りが生じる。本実施の形態では、それ
を防止するために、有機基板7を多層基板1に貼り付け
る接着層11としては、シリコーン系樹脂を使用し、そ
の厚さを25μm〜100μmとすることにより搭載さ
れている半導体チップに過剰な負荷を与えず、高い信頼
性を有するモジュールを得ることができる。また、低加
圧で基板同士を貼り合わせることが可能になる。
【0035】さらに、フッ素系樹脂等の誘電率が小さい
接着剤や樹脂、例えば3.5以下の誘電率である接着剤
や樹脂を用いることにより、更なるアンテナ特性の向上
が可能になる。
【0036】次に具体例について説明する。
【0037】(実施例1)比誘電率4〜10のセラミッ
クからなる多層基板1として、比誘電率8.9のアルミ
ナセラミックを用い、高周波回路線路2とスロット孔4
を有する導体層3をタングステンメタライズによって同
時焼成して形成し、その後、高周波回路線路2と導体層
6の表面に金メッキを施した。また、複数からなるスロ
ット孔10の表面には、接着剤(樹脂)としてシリコー
ン樹脂(誘電率3.1)を用い、接着剤(樹脂)の厚み
を変化させたサンプルと有機基板厚を変化させたサンプ
ルを試作した。
【0038】なお、接着剤(樹脂)の厚みは、貼り合わ
せる時や樹脂硬化時の加圧条件によりコントロールで
き、本実施例では、接着層(樹脂層)11の厚みを25
μm厚と100μm厚のサンプルを作製した。
【0039】多層基板1と有機基板7を貼合せ、実際に
サンプルを作製し、測定した結果を表1に示す。
【0040】
【表1】
【0041】表1に示すように、複数のスロット孔10
上に有機基板7を貼り合わせる事により、高効率のアン
テナが形成出来ることが示唆される。特に、トータル厚
み(有機基板厚+接着層厚)が625μm厚の場合が最
も高ゲインであった。
【0042】(実施例2)複数のスロット孔10の表面
に、接着剤(樹脂)として、シリコーン樹脂より誘電率
(2.9)が低いフッ素系樹脂を用い、多層基板1と有
機基板7を貼合せ、実施例1と同様に、実際にサンプル
を作製し、測定した結果を表2に示す。
【0043】
【表2】
【0044】表2と表1を比較すると、有機基板7の厚
さ(450μm、600μm)及び接着層の厚さ(10
0μm)が同じ場合、表2の誘電率が低いフッ素系樹脂
(フッ素を含有する樹脂)を用いた方が、高効率化を実
現できることが分かる。
【0045】以上、本実施の形態について説明したが、
本発明はこれに限られるものではない。例えば、ここで
は60GHz帯に使用する場合について述べたが、この
周波数に限るものではない。特に周波数が50〜70G
Hzでは、上述した実施の形態と同一の構成により同一
の効果を得ることができる。また、モジュールの構成も
図1に限るものではない。さらに、図2にて示したスロ
ット孔10も、16素子に給電している場合を説明した
が、この場合限りではなく、異なる素子数の場合でも効
果は同様である。また、ここでは給電スロット孔10a
と無給電スロット孔10bを交互に配列したが、スロッ
ト孔10の伸びる方向に垂直な方向における、各給電ス
ロット孔10a間に無給電スロット孔10bを2個づつ
配置しても良い。
【0046】
【発明の効果】本発明では、有機基板を貼り合わせるこ
とにより、また、さらに接着層も含めた全体の厚さを規
定することにより、スロットアンテナの効率を上げるこ
とが可能になり、高効率なスロットアンテナを得ること
ができる。したがって、特性が良好なアンテナ一体化マ
イクロ・ミリ波モジュールを提供できる。
【0047】また、スロット孔を給電スロット孔と無給
電スロット孔とで構成することにより、アンテナ給電線
路における伝送損を低減でき、その結果アンテナ効率を
高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のアンテナ一体化マイクロ波・ミリ波モ
ジュールの実施の形態を示す図である。
【図2】図1におけるスロット孔、アンテナ給電線路等
の配置を示す図である。
【図3】有機基板厚とゲインとの関係を示す図である。
【図4】従来のスロットアンテナを示す多層基板の断面
図である。
【符号の説明】
1 多層基板 1a 第1の誘電体基板 1b 第2の誘電体基板 1c 第3の誘電体基板 2 高周波回路線路(マイクロストリップ線路) 3、6 導体層 4、10 スロット孔 5 アンテナ給電線路 7 有機基板 8 半導体チップ 9 金属キャップ 10a 給電スロット孔 10b 無給電スロット孔 11 接着層(樹脂層)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北岡 幸喜 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Fターム(参考) 5J021 AA01 AB05 CA03 EA04 FA17 FA20 FA26 FA29 GA01 GA08 HA05 HA07 HA10 JA07 5J045 AA06 AB05 AB06 DA06 EA07 HA03 MA04 NA01

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 マイクロ波回路またはミリ波回路が形成
    された半導体チップと、 第1の表面に前記半導体チップを搭載する高周波回路線
    路が形成されており、第1の内層に第1のスロット孔を
    有し、第1の内層に対して第1の表面とは反対側に位置
    する第2の内層にアンテナ給電線路を有し、第1の表面
    の対面である第2の表面に電磁波を放射する複数の第2
    のスロット孔が形成された多層基板と、 第2の表面に貼り合わされた有機基板と、を備えたこと
    を特徴とするアンテナ一体化マイクロ波・ミリ波モジュ
    ール。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のアンテナ一体化マイク
    ロ波・ミリ波モジュールにおいて、 前記有機基板は、前記多層基板に貼り合わせ樹脂により
    貼り合わせられており、 前記有機基板と前記貼り合わせ樹脂の厚さの合計が、前
    記有機基板中における実効波長の0.1倍から0.3倍
    の厚みに形成されていることを特徴とするアンテナ一体
    化マイクロ波・ミリ波モジュール。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2に記載のアンテ
    ナ一体化マイクロ波・ミリ波モジュールにおいて、 前記有機基板を前記多層基板に貼り合わせる材料が、シ
    リコンを含有する樹脂またはフッ素を含有する樹脂から
    なることを特徴とするアンテナ一体化マイクロ波・ミリ
    波モジュール。
  4. 【請求項4】 マイクロ波回路またはミリ波回路が形成
    された半導体チップと、 前記半導体チップを搭載する高周波回路線路と、 第1のスロット孔を介して前記高周波回路線路と電磁界
    結合するアンテナ給電線路と、 該アンテナ給電線路に対して第1のスロット孔とは反対
    側に位置し、電磁波を放射する第2のスロット孔と、を
    備えてなり、 第2のスロット孔は、前記アンテナ給電線路により給電
    される給電スロット孔と、給電されない無給電スロット
    孔とからなり、 前記無給電スロット孔と前記給電スロット孔との間隔
    は、λを実効波長、nを1以上の整数としたときに、略
    (0.5+n)λであることを特徴とするアンテナ一体
    化マイクロ波・ミリ波モジュール。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載のアンテナ一体化マイク
    ロ波・ミリ波モジュールにおいて、 前記無給電スロット孔と前記給電スロット孔との間隔
    は、λを実効波長としたときに、略1.5λであること
    を特徴とするアンテナ一体化マイクロ波・ミリ波モジュ
    ール。
  6. 【請求項6】 請求項4または請求項5に記載のアンテ
    ナ一体化マイクロ波・ミリ波モジュールにおいて、 前記高周波回路線路、第1のスロット孔、前記アンテナ
    給電線路、第2のスロット孔は多層基板により構成され
    ており、 前記多層基板の第1の表面に前記高周波回路線路が形成
    され、第1の内層に第1のスロット孔が形成され、第1
    の内層に対して第1の表面とは反対側に位置する第2の
    内層にアンテナ給電線路が形成され、第1の表面の対面
    である第2の表面に第2のスロット孔が形成されてお
    り、 第2の表面に、有機基板が貼り合わされてことを特徴と
    するアンテナ一体化マイクロ波・ミリ波モジュール。
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