JP2002076177A

JP2002076177A - 高周波モジュール

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Publication number: JP2002076177A
Application number: JP2000265991A
Authority: JP
Inventors: Takuma Tanimoto; 琢磨谷本; 信一郎 ▲高▼谷; Shinichiro Takatani; Hiroshi Kondo; 博司近藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2002-03-15
Also published as: US20020123317A1

Abstract

(57)【要約】【目的】実装サイズを小さくし、実装ロスとそのばらつ
きを小さくと同時に発熱の少ない高周波モジュールの実
装方法を実現する。【構成】バイアホールと、信号のための電極と接地のた
めの電極を基板表面に具備した高周波モジュールにおい
て、該信号のための電極１４の下にバイアホール１３を
設け、かつ信号のための電極１４の両脇に接地のための
バイアホール１２をストリップ線路となるように形成
し、能動素子を含む高周波回路１１の入出力の両側を上
記バイアホール１３を介して他の回路と結合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高周波モジュールに
係り、更に詳しく言えば、バイアホールを用いた実装方
法の改善により小型、高性能化される高周波増幅器、発
振器などの高周波回路モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】高周波モジュールはその使用機器の小型
化要求によりその実装技術の改善が多く提案されてい
る。特に小型化要求に対する実装技術として、ワイヤボ
ンディングに換え、バイアホールを使用した結線が行わ
れる。しかし、処理信号の周波数の高周波化にともな
い。バイアホールを使用しても、そこを通る線路のイン
ピーダンスによる性能劣化が無視できなくなっている。

【０００３】このインピーダンスの影響を軽減する手段
として、高周波モジュールが誘電体基板に形成され、バ
イアホールがその誘電体基板に形成されるものでは、信
号線バイアホールの近傍に、キャパシタンスを形成し、
バイアホールを通る線路のインピーダンスを打ち消す技
術が知られている。例えば、図１０に示すよう、誘電体
基板２６の表裏両面に信号配線２７が形成され、信号配
線２７は、基板２６を貫通して設けられた信号バイアホ
ール２８により互いに接続されている。その近傍に垂直
設置導体２９を設け、キャパシタンスを形成し、信号バ
イアホール２８の特性インピーダンスを信号配線２７の
特性インピーダンスに整合している（特開平１１−２１
５０３７１号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来知られている
技術では、高周波モジュールが誘電体基板に形成される
もので、この技術を半導体基板に高周波回路を形成する
高周波モジュールに直ちに適用できるものではなく、特
に、信号バイアホールは、円柱状であり、この直径を大
きくする事は困難であり、中心導体の抵抗値が大きくな
り、熱損失の問題がある。また、接地用の導体の最適な
形態に付いては、特に開示されておらず、また、高周波
モジュール形成する場合は、小型化、特性の改善の他
に、熱の発生等の問題がある。

【０００５】従って、本発明の目的は、バイアホールを
用いて実装サイズを増加させること無く、特性の改善と
同時に発熱を少なくした半導体基板を用いた高周波モジ
ュールを実現することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の高周波モジュールは、半導体表面に少なく
とも能動素子を持つ高周波回路と、上記高周波回路の入
力及び出力の信号線とが形成され、上記入力及び出力の
信号線が信号線バイアホールによって上記半導体表面か
ら裏面に導かれる構成の高周波モジュールにおいて、上
記バイアホールの近傍に接地のための接地バイアホール
が形成され、上記信号線がバイアホールと上記接地のた
めのバイアホールがマイクロストリップ線路無いしスト
リップ線路を形成するように構成される。

【０００７】本発明によれば、半導体基板を用いた高周
波モジュールであって、信号線バイアホールと接地バイ
アホールとが形成するストリップ線路は、その断面が図
４（a）又は（b）のようになり、信号線の両脇あるいは
片側の近傍に接地導体がある場合、信号線のインダクタ
ンス成分を接地導体との間の容量が打ち消すことがで
き、広い周波数範囲において任意のインピーダンス線路
を形成することができる。ストリップ線路のインピーダ
ンスは、信号線バイアホール１３の幅をＳ、厚さをW、
接地バイアホール１２の幅をＧ、厚さをW、バイアホー
ル１２及び１３を取り巻く半導体基板の透磁率及び誘電
率をそれぞれμ₀及びε₀εとし、信号線バイアホール１
３の幅Ｓと、接地バイアホール１２と信号線バイアホー
ル１３と間の間隔Ｌの２倍との和が接地バイアホール１
２の幅Ｇよりも短い場合、（ａ）の場合、マイクロスト
リップ線路のインピーダンスは式（１）のようになり、

【０００８】

【数１】

【０００９】（ｂ）の場合、マイクロストリップ線路は
式（２）のようになる。

【００１０】

【数２】

【００１１】ここでＦ１は物質パラメータである。

【００１２】例えば、半導体基板がGaAs基板で、マイク
ロストリップ線路のインピーダンスを望ましい５０オー
ムを達成するために、w=10ミクロン、S=100ミクロンと
した場合、いずれの線路もLが５０〜１００ミクロン程
度となる。このような短い間隔Ｌのバイアホールは、以
下の実施例で説明するように、幅１０〜２０ミクロンの
溝をドライエッチングにより１００ミクロン近くまで削
る技術で実現できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明による高周波モジュ
ールが使用される高周波回路装置の一実施形態を示す。
本高周波回路自体は、従来知られている高周波回路と同
じで、アンテナ８からの受信信号は、フィルタ７、受信
用低雑音増幅器１、フィルタ７、ミキサ４、フィルタ７
を介してベースバンド周波数回路９で受信処理をする。
送信すべきベースバンドの信号は、ミキサ４、バースト
スイッチ６、利得可変増幅器３、フィルタ７、送信用高
出力増幅器２、フィルタ７及びアンテナ８を介し送信さ
れる。ミキサ４には発信器５の信号が加えられる。

【００１４】図中斜線を示した受信用低雑音増幅器１、
送信用高出力増幅器２、利得可変増幅器３、発振器５の
部分のように能動素子を含む回路部の少なくとも一部が
本発明の高周波モジュールで構成される。図中、丸印の
部分が上記マイクロストリップ線路を構成するバイアホ
ール部である。

【００１５】図２は、本発明による高周波モジュールの
一実施例の構成を示す図である。本実施例は、くし型電
極構造を持つ能動素子の例を示し、（a）、（b）、
（c）及び（c）は、それぞれ表面図、裏面図、Ａ−Ａ’
断面図、及びＢ−Ｂ’ 断面図を示す。半導体基板１０
の表面に能動素子がくし型電極構造の増幅回路１１と、
増幅回路１１の入力及び出力の信号線１４とが形成さ
れ、上記入力及び出力の信号線１４が信号線バイアホー
ル１３によって上記半導体表面から裏面に導かれる構成
の高周波モジュールを構成する。上記バイアホール１３
の両側に接地のための接地バイアホール１２が形成さ
れ、信号線バイアホール１３と接地バイアホール１２が
半導体基板１０と共にマイクロストリップ線路を形成す
る。

【００１６】また、くし型電極の中の接地電極を接地バ
イアホール１２により半導体基板１の裏面に接続してい
る。半導体基板１の裏面には、信号線領域と設置領域の
間の領域１５を除き、全面金属が被着されている。上記
金属の表面には、その拡散防止のためのバリア金属及び
半田層を形成する。

【００１７】上記実施例の製造方法を説明する。通常の
半導体プロセスにより半導体基板１０上に増幅器１１を
形成後、半導体基板１０上の所望の位置にホトリソグラ
フィープロセスにより信号線用１４のための開口部1３
及び接地のための開口部１２を設ける。この開口断面は
は、厚さ１０ミクロン、間隔は５０ミクロンとした。

【００１８】次に、ドライエッチングプロセスにより、
開口部１３及び１２の半導体基板１を７０ミクロンエッ
チングする。基板表面のレジストを除去したのち、開口
部１３及び１２の内面にスパッタ法により金属を蒸着す
る。次に、所望の位置をホトリソグラフィーにより開口
を設けた後、選択メッキにより金属を被覆する。

【００１９】次に、半導体基板１の表面を別の基盤に貼
り付け、機械研磨とウエットエッチングにより半導体基
板1を80ミクロンにまで薄層化する。次に、ホトリソグ
ラフィーにより基板の所望の位置に開口を設け、ウエッ
トエッチングにより開口部をエッチングし、表面から開
けた穴1３を露出させる。次に、金属１６を被着させ、
ホトリソグラフィーとミリングにより図(b)の１２よう
な接地のためのバイアホールを含む裏面パターン１６を
形成する。

【００２０】図４及び図5はいずれも本発明による高周
波モジュールの他の実施例の斜視図である。本実施例
は、高周波モジュール１７が発振器を含むものであり、
高周波モジュール１７は、線路導体２０が形成された絶
縁基板からなる実装基板１８上に、高周波モジュール１
７の裏面の信号線バイアホールが、線路導体２０に接続
されるように実装される。

【００２１】本実施例の発信器の性能は、実装前で発信
周波数７６．５GHｚ、周波数ばらつきの分散は０．１GH
ｚ、発信出力６．０ｄBmであり、実装後の高周波モジュ
ールの性能は、発信器として発信周波数７６．５GHｚ、
周波数ばらつきの分散は０．１GHｚ、発信出力５．９ｄ
Ｂｍであったが、バイアホールを使用せず、ワイアボン
ディングで実装したもの発信周波数７４GHｚ、周波数ば
らつきの分散は１．３GHｚ、出力３．２ｄBm、また、信
号線バイアホールを使用し、接地バイアホールを使用し
ないで実装したものでは発信周波数７６．３GHｚ、周波
数ばらつきの分散は０．２GHｚ、出力５．８ｄBmであっ
た。

【００２２】図５の実施例は、図４に示した高周波モジ
ュールのプロセスと同じプロセスから、発信回路を取り
除いたものを作成し、外部誘電体共振器２０を含め、誘
電体基板１８上に実装したものである。本実施例の実装
において、基板１７の裏面には半田接続のためのAuSn
と、そのバリア材（拡散防止）であるNiを被着してお
き、誘電体基板１８を加熱することにより実装した。

【００２３】本実施例の発信器の性能は、発信周波数７
６．５GHｚ、周波数ばらつきの分散は０．１GHｚ、発信
出力８．５ｄＢｍであった。本実施例でも、実施例1と
同様、従来例１と２を作成した。従来例1では発信せ
ず、従来例2では発信周波数７６．２GHｚ、周波数ばら
つきの分散は０．４GHｚ、出力８．０ｄBmであった。

【００２４】図６は、本発明による高出力増幅器の高周
波モジュールのシミュレーション結果を示す。シミュレ
ーションでは、７７GHｚでピークをもつ高出力増幅回路
２１の前後にインダクタンス２２を挿入した場合の周波
数ピークのシフト、定在波比（VSWR）、及び損失であ
る。ワイヤボンディングの場合は、通常２００pH程度の
インダクタンスが寄生するため、周波数シフトは４GH
ｚ、ロス（損失）も６ｄB程度と極めて大きいものとな
った。従来の信号線バイアホールのみ使用のものでは、
インダクタンス20pH程度であり、損失は0.2dB程度であ
るのに対し、本実施例のものでは、寄生インダクランス
はほとんど消去されるので、損失は殆ど無い。

【００２５】図７は、本発明による発振器の高周波モジ
ュールのシミュレーション結果を示す。シミュレーショ
ンでは、76.5GHzで発振する回路２５と、増幅回路２４
との間にインダクタンス２３を入れてシミュレーション
した。ワイヤボンディングの場合では発信しない。ま
た、従来の信号線バイアホールのみ使用したものでは、
インタクタンスばらつきが実測の5pH程度の場合、発信
周波数のばらつきが0.4GHｚた。これは、回路として許
容されるばらつき0.5GHzと殆ど同じであり、殆ど歩留ま
りが取れないことを意味している。また、本実施例では
このばらつきを考慮する必要が無いため、安定した素子
性能を得ることができる。

【００２６】図８及び図９は、本発明による高周波モジ
ュールの他の実施例の構成を示す平面図及びその放熱効
果をの測定結果を示すグラフである。図８において、Ca
As基板１０に、能動素子を含む発熱部２５、発熱部２の
入出力線路１４、入出力線路１４の端部に信号線バイア
ホール及１３び接地バイアホール１２が形成されてい
る。更に発熱部２５の両側に、信号線バイアホールと接
地バイアホールと同じ距離間隔aの接地バイアホール１
２が形成されている。

【００２７】図９は上記実施例における距離間隔a を可
変した場合の、発熱体２５近くの温度（ジャンクション
温度）を示す。同図から明らかなように、接地バイアホ
ールが無い場合に比較し、距離５０〜２００ミクロンの
範囲において著しい放熱効果は認められる。

【００２８】上記実施例では、増幅器、発振器の場合に
ついて説明したが、本発明は、上記実施例に限らず、ミ
キサなどの高周波アナログ回路や、マルチプレクサ、デ
マルチプレクサなどのデジタル回路、光素子などに適用
できることは言うまでもない。

【００２９】また、実施例で用いた基板厚さやバイアホ
ールの間隔、幅なども用途に応じて変えることも可能で
ある。また、実施例では信号線バイアホールの両脇に接
地用バイアホールを形成する場合を説明したが、図３
(b)のように、信号線バイアホールの片方にのみ接地用
バイアホールを形成するマイクロストリップライン型な
どの配置をとることもできる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、半導体基板で構成する
高周波モジュールの実装において、信号線バイアホール
及び接地用バイアホールを半導体製造プロセスでマイク
ロストリップ線として構成できる。また、実装サイズを
小さくでき、また、実装ロスとそのばらつきを小さく抑
えることができるため、高周波モジュールに適用した場
合、発信器の発信周波数の安定性、位相ノイズの低減、
高出力増幅器の利得、効率向上などの効果が得られ、高
周波回路、モジュールの小型高性能化が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高周波モジュールが使用される高周波
回路装置の一実施形態の構成をを示す図である。

【図２】本発明による高周波モジュールの一実施例の構
成を示す図である。

【図３】本発明で実現されるストリップラインの説明図
である。

【図４】本発明による高周波モジュールの一実施例の構
成を示す斜視図である。

【図５】本発明による高周波モジュールの他の実施例の
構成を示す斜視図である。

【図６】本発明による高周波モジュールの効果を説明す
るグラフである。

【図７】本発明による高周波モジュールの効果を説明す
るグラフである。

【図８】本発明による高周波モジュールの更に他の実施
例の構成を示す平面図である。

【図９】図９に示す実施例の放熱効果の測定結果を示す
グラフである。

【図１０】従来知られている高周波モジュールの構成を
示す平面図である。

【符号の説明】

１０…半導体基板、１１…高周波回路、1２…接地のた
めのバイアホール、１３…信号のためのバイアホール、
１４…入力及び出力信号線、１５…間隙１６…裏面電
極、１７…発振回路モジュール、１８実装基板、１９…
誘電体共振器、２０…信号線路、２１、２４…増幅回
路、２２、２４…インダクタンス、１５…共振器、２６
…発熱体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者近藤博司東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内Ｆターム(参考） 5J011 CA12 CA15 5J014 CA14 CA53

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体表面に少なくとも能動素子を持つ高
周波回路と、上記高周波回路の入力及び出力の信号線と
が形成され、上記入力及び出力の信号線が信号線バイア
ホールによって上記半導体表面から裏面に導かれる構成
の高周波モジュールであって、上記信号線バイアホール
の近傍に接地のための接地バイアホールが形成され、上
記信号線バイアホールと上記接地バイアホールとがマイ
クロストリップ線路を形成するように構成されたことを
特徴とする高周波モジュール。
【請求項２】上記能動素子の近傍に接地バイアホールを
設置たことを特徴とする請求項１記載の高周波モジュー
ル。
【請求項３】上記能動素子がくし型電極構造を有し、上
記くし型電極の中の接地電極を上記接地バイアホールに
より上記基板裏面に接続してなることを特徴とする請求
項１又は２記載の高周波モジュール。
【請求項４】上記信号線バイアホールの長さと、上記接
地バイアホールと信号線バイアホールと間の間隔の２倍
との和は、接地のためのバイアホールの長さよりも短い
ことを特徴とする請求項1乃至３のいずれかに記載の高
周波モジュール。
【請求項５】上記信号線のストリップ線路のインピーダ
ンスが、上記信号線路の特性インピーダンスに近似する
値にに設定されていることを特徴とする請求項1乃至４
のいずれかに記載の高周波モジュール。
【請求項６】信号線バイアホールと、接地バイアホール
は、いずれも幅が２０ミクロン以下の長方形のマイクロ
バイアホールであることを特徴とする請求項1乃至５の
いずれか記載の高周波モジュール。
【請求項７】基板裏面が、信号線領域と設置領域との間
の領域を除き全面金属により被着されていることを特徴
とする請求項1乃至６のいずれかに記載の高周波モジュ
ール。
【請求項８】上記半導体基板裏面にはんだ金属と、その
拡散防止のためのバリア金属とを積層したことを特徴と
する請求項1乃至７のいずれか記載の高周波モジュー
ル。
【請求項９】請求項1乃至８のいずれかに記載の高周波
モジュールを実装基板に実装して構成された事を特徴と
する高周波回路装置。