JP2004254068A

JP2004254068A - 高周波送受信モジュール

Info

Publication number: JP2004254068A
Application number: JP2003042156A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Tamaki; 努田牧; Koichi Matsuo; 浩一松尾; Minoru Fujita; 実藤田; Yasuo Kawashima; 康夫河嶋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2023-02-20
Also published as: JP3969321B2

Abstract

【課題】従来の高周波送受信モジュールは、パッケージにバイアス印加用リードをロー付けし、そのパッケージ及び樹脂基板等を、筐体の導波管端子に位置決めしてネジ止めする等、パッケージの高コスト化、モジュールの製造工程複雑化等を招き、モジュールの高コスト化につながるという問題を持っていた。
【解決手段】パッケージを構成する多層誘電体基板の下面に導波管端子、信号端子、制御信号端子、接地端子およびバイアス端子を配し、また、このパッケージに対応して樹脂基板の上面に各端子を配し、おのおの対応した端子間を全て球状の半田を溶融して接続する（バンプ接続する）ことで搭載し、さらに、このパッケージが搭載された樹脂基板を導波管回路に搭載した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、導波管を使用してマイクロ波またはミリ波帯の高周波信号を送受信する、高周波送受信モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、導波管を使用した高周波送受信モジュールは、パッケージに収納した、マイクロ波またはミリ波帯等の高周波帯で動作する半導体にバイアス電圧を印可するため、パッケージに金属製のリードをロー付けし、そのリードを、バイアスを供給する樹脂基板等に半田付けしている。また、そのパッケージ及び樹脂基板等は、筐体の導波管端子に位置合わせしてネジ止めする等を行なっていた。（例えば、特許文献１）
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−３４３９０４号公報（第２−４頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の高周波送受信モジュールは、以上のように、パッケージにバイアス印加用リードをロー付けし、また、そのパッケージ及び樹脂基板等を、筐体の導波管端子に位置決めしてネジ止めする等、パッケージの高コスト化、モジュールの製造工程複雑化等を招き、最終的にモジュールの高コスト化につながるという問題を持っていた。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、導波管端子、信号端子、制御信号端子、接地端子及びバイアス端子等の接続にかかる製造コストを大幅に低減させ、それに合わせて、パッケージのリードレス化を図り、パッケージコストも低減させることを目的とする。
【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、この発明に関わる高周波送受信モジュールは、パッケージを構成する多層誘電体基板の下面に導波管端子、信号端子、制御信号端子、接地端子およびバイアス端子を配し、また、このパッケージに対応して樹脂基板の上面に導波管端子、信号端子、制御信号端子、接地端子およびバイアス端子を配し、おのおの対応した端子間を全て球状の半田を溶融して接続することで搭載し、さらに、このパッケージが搭載された樹脂基板を導波管回路に搭載した。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による高周波送受信モジュールの構成を示している。
【０００８】
図１において、パッケージ１は、多層誘電体基板２の上に気密溶接用枠体３を半田付けまたはロー付け等により配置し、その上にカバー４をのせて溶接し、気密を確保している。パッケージ１の内部の構成は図５に示し、その中にて半導体１８を実装している（詳細は後述する）。また、多層誘電体基板２の下面には、導波管端子６、信号、制御信号、接地及びバイアス端子７、高周波信号端子９等が配されているが、図１では省略している。樹脂基板５は、多層誘電体基板２の下面に配された導波管端子６、信号、制御信号、接地及びバイアス端子７、高周波信号端子９に対応して、基板上面に各々の端子を配し、また、パッケージ１との信号及びバイアスの授受を行なうための周辺回路１０を配している。パッケージ１、樹脂基板５における各々対応した端子は、球状の半田８を溶融する（いわゆるバンプ接続）ことで、接続を確保される。このパッケージ１を搭載した樹脂基板５は、この導波管端子６に対応した導波管１２を設けた導波管回路１１にネジ止めされる。このとき、樹脂基板５の導波管端子６と導波管１２を隙間なく接触させるため、樹脂に導電性塗料を含浸させた導電性樹脂２６を導波管回路１１の導波管１２の開口部周辺の極力開口端に近い位置に塗布し、樹脂基板５との間で挟み込んでいる。
【０００９】
次に、動作について説明する。図１のように、パッケージ１は樹脂基板５との間で、信号、制御信号、接地及びバイアス端子７、高周波信号端子９、導波管端子６を通して、それぞれに対応した電圧及び信号を授受し、内部に収納した半導体１８を動作させる。また、樹脂基板５は、パッケージ１との間での電圧及び信号の授受の他、球状の半田８を信号、制御信号、接地及びバイアス端子７、高周波信号端子９、導波管端子６に溶融することにより、パッケージ１を樹脂基板５上に固定する。導波管回路１１は、パッケージ１を搭載した樹脂基板５をネジ止めなどにより固定し、内部に設けた導波管１２をもって、外部回路（例えばアンテナ等である。図１では省略）との間で、マイクロ波またはミリ波帯の高周波信号を授受する。その際、導電性樹脂２６は、樹脂基板５の導波管端子６と導波管回路１２の導波管１１が隙間なく接続されるように塗布され、接続部における信号の電力損失を低減させている。
【００１０】
このときの導波管端子６を接続する球状の半田８の配置（図１のＡ部）を図２（ａ）に示す。また、図２（ｂ）は、導波管接続部における信号の損失を示すグラフであり、導波管端子６の電界面（導波管端子６の短辺）に平行に、導波管端子６を挟んで配置した球状の半田８列間の距離をＬ１、導波管端子６の磁界面（導波管端子６の長辺）に平行に、導波管端子６を挟んで配置した球状の半田８列と導波管端子６端までの距離をＬ２としたときに、Ｌ１を固定し、Ｌ２を変化させた場合の、通過損失を示している。
このように、Ｌ２の長さの最適化により、通過損失を低減させることが可能となる。また、図２（ｃ）は、図１のように導波管端子６が隣接した場合の、導波管端子６の周辺に設ける球状の半田８の列数による、隣接した導波管端子との信号の結合度を示す。曲線ａは列数を１列とした場合、曲線ｂは列数を２列とした場合、曲線ｃは２列の球状の半田８の間隔を導波管端子６を通過する信号の波長の１／４±３０％とした場合の特性を示す。このように、複数列配置し、かつ、その間隔を導波管端子６を通過する信号の波長の１／４±３０％とした場合、もっとも、隣接する導波管端子との結合を低減できる。
【００１１】
本実施例では、図２（ａ）において、上記の距離Ｌ１、Ｌ２の関係が、導波管端子６を通過する信号の波長をλとすると、λ×（０．７〜１．３）＝２／（１／Ｌ１^２＋１／Ｌ２^２）^１／２となるように設定している。この場合、図２（ｂ）のような、最適なＬ２の特性を得る事ができ、導波管接続部における信号の損失を小さくすることが可能となる。また、球状の半田８列を複数列配し、かつその間隔を、導波管端子６を通過する信号の波長の１／４±３０％としたことにより、隣接導波管との結合を、より低減している。
【００１２】
次に、マイクロ波帯等の高周波信号を授受するための、球状の半田８の配置（図１のＢ部）を図３に示す。高周波信号端子９は、略中心に信号端子１４を、そこからある距離だけ離れた同心円上に接地端子１５を複数配する事により構成している。これは、一般に高周波信号を伝達させるために使用される同軸ケーブルと同様に、信号端子１４と接地端子１５の間のインピーダンスを一定にするためである。これらの各端子も、パッケージ１の下面に配した端子と、樹脂基板５の上面に配した端子との間で、それぞれに対応して、球状の半田８を溶融することにより、他の端子と一括で接続可能である。
【００１３】
次に、パッケージ１及びその下面に配した球状の半田８の機械的強度について、図４にて説明する。一般に、球状の半田８による接続（いわゆるバンプ接続）は、リード端子を用いた接続に比べて、機械的強度が弱い。それは、例えばセラミック等のように薄く、かつ硬い基板を使用したパッケージを完全に固定するため、熱応力などが加わった場合、欠け、割れ等が発生しやすいためである。そのため、例えばエポキシなどの樹脂をベースとしたアンダーフィル材１６をパッケージ１及び樹脂基板５の間の半田接合部に注入することにより、パッケージ１及び球状の半田８にかかる応力を緩和する事ができる。
ただし、導波管端子部には注入されないよう、注意する必要がある。信号通過部に、ある誘電率をもつアンダーフィル材が入り込む事で、そこのインピーダンスが変化し、通過特性を劣化させるためである。図１及び図４では、Ｃ部、つまり、パッケージ１の４隅に、アンダーフィル材１６を注入している。一般に割れ、欠けは、パッケージ１の４隅から発生しやすいため、このアンダーフィル材１６をパッケージ１の４隅のみに注入しても効果は大きい。もちろん、導波管端子６部分を除く全域に注入した場合、さらに機械的強度が向上する。
【００１４】
次に、パッケージ１の構成を図５に示す。図５（ａ）は、パッケージ１の内部を示しており、多層誘電体基板２はその上面に２つのキャビティ１７ａ及び１７ｂを有し、その中に、マイクロ波またはミリ波帯で動作する半導体１８ａ及び１８ｂをそれぞれ配している。多層誘電体基板２及び半導体１８ａ及び１８ｂは、例えばＡｕ等の金属ワイヤ１９で接続され、半導体１８ａ及び１８ｂに授受される高周波信号は、金属ワイヤ１９が接続されたマイクロストリップ線路−導波管変換器２０にて導波管モードに変換されるか、あるいは高周波信号端子９に接続される。
また、多層誘電体基板２の上には、気密用金属枠体３が配され、その上にカバー４を溶接する事により、パッケージ１内を気密にする。図５（ｂ）は、図５（ａ）のパッケージにカバー４を溶接した場合の外観を示す。図のように、溶接する事で、パッケージ１の内部を気密にすることが可能となる。図５（ｃ）は、多層誘電体基板２上に気密用金属枠体３を設けず、少なくとも半導体１８ａ及び１８ｂ及び金属ワイヤ１９の上面を除く、多層誘電体基板２の上面に接触するよう、金属板を成形した成形カバー２１を、多層誘電体基板２の上面に半田または導電性接着剤などを使用して固定しており、パッケージ１の内部を気密にする事が可能となる。図５（ｄ）は、多層誘電体基板２に配した半導体１８ａ及び１８ｂと金属ワイヤ１９の上に封止用樹脂ペースト２２を塗布し、半導体の気密を確保する事を可能とした。
【００１５】
上記では、パッケージ１の下面に設けた各端子と樹脂基板５の上面に設けた各端子の接続に、球状の半田８を溶融させることで行なっているが、図６のように、球状の半田８を配置し、その上下をパッケージ１及び樹脂基板５で挟んだ状態で、例えば、熱硬化によって、球状の半田８と各端子の電気的接続を行なう、異方性導電性樹脂を注入する方法もある。これによっても、上記と同様の効果を得る事ができる。
【００１６】
次に、製造方法について説明する。上記のように、樹脂基板５上に球状の半田８を使用してパッケージ１を接続する場合、樹脂基板５上の周辺回路１０に使用する他の部品と同時に、例えばリフローのような一括半田付けが可能となり、従来、パッケージのみネジ止めしていた作業が簡略化される。また、一般に、上記のような球状の半田８を使用した場合、その接続される端子位置が自ら補正される、いわゆるセルフアライメント効果が得られるため、従来行なっていたパッケージ１と導波管回路１１との位置決め作業が不要になる。
【００１７】
次に、価格について説明する。従来の多層誘電体基板２を使用したパッケージ１では、原材料費としては、誘電体基板２、気密用金属枠体３、ネジ止めするために誘電体基板２の下面に配する金属キャリヤ等があげられる。また、その場合、金属キャリヤと多層誘電体基板２及び気密用金属枠体３のロー付け等の作業が必要となる。本発明によるパッケージ１は、金属キャリヤが不要なため、そのロー付けも不要となり、低価格化が可能である。また、上記のように、パッケージ１の固定に、位置決め／ネジ止め作業が不要となる等、製造工程の簡略化も図れる。
【００１８】
このように、本実施例の場合、樹脂基板５上の周辺回路１０の部品などと、一括してパッケージ１の接続が可能であり、導波管回路１１との位置決め作業が不要になる。また、パッケージ１の金属キャリヤ等を不要とするため、価格が低減できる。さらに、電気特性の面では、導波管端子６の周囲の球状の半田８の配置位置、間隔及び列数の最適化により、導波管端子６接続部の通過損失を低減できる。また、アンダーフィル材１６の注入により、パッケージ１及び球状の半田８の強度を改善できる。また、カバー４の溶接、または封止用樹脂ペースト２２の塗布等により、パッケージ１内の気密化が可能となる。
【００１９】
実施の形態２．
図７は、実施の形態２による高周波送受信モジュールの構成を示している。
【００２０】
図７において、２〜１０は、実施の形態１と同様の構成及び動作をする。金属ベース２４は、樹脂基板５に樹脂性の接着剤などで接着され、金属ベース基板２５を構成する。この場合、樹脂基板５に設けた導波管端子６に接続されるよう、金属ベース２４にも導波管端子を設けている（図では省略している）。
【００２１】
これにより、樹脂基板５での発熱を効率よく熱伝導させる事ができ、また、金属ベース２４に導波管端子６を設ける事により、実施の形態１における導波管回路１１を不要とするため、価格の低減が可能となる。
【００２２】
実施の形態３．
図８は、実施の形態３による高周波送受信モジュールに使用する樹脂基板の裏面の構成を示している。
【００２３】
図８において、樹脂基板５は、その裏面に、導波管端子６を通じて、その先にアンテナ素子２７を基板上に設けている。図８では省略しているが、表面には、図１のようにパッケージ１、周辺回路１０などが配されている。
【００２４】
このように、樹脂基板５の裏面にアンテナ素子２７を配する事により、導波管回路１１を不要とし、また、金属ベース基板２５のような金属ベース２４も不要となるため、価格の低減が可能となる。また、金属部品が不要な事から、軽量化も可能となる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明によれば、樹脂基板上の周辺回路の部品などと、一括してパッケージの接続及び固定が可能となり、また、従来の位置決め作業が不要になるため、製造工程が単純化でき、製造コストの低減が可能となる。また、パッケージの金属キャリヤ等を不要とするため、原材料費等も低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールの構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１における導波管端子周辺の球状の半田の配置及び導波管接続部の特性を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１における高周波信号端子の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１におけるパッケージ及び球状の半田の機械的強度を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１におけるパッケージの構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１ににて、異方性導電性樹脂を使用した場合を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２による高周波送受信モジュールの構成を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態３による高周波送受信モジュールに使用する樹脂基板の裏面の構成を示す図である。
【符号の説明】
１パッケージ、２多層誘電体基板、３気密封止用枠体、４カバー、５樹脂基板、６導波管端子、７信号、制御信号、接地及びバイアス端子、８球状の半田、９高周波信号端子、１０周辺回路、１１導波管回路、１２導波管、１４信号端子、１５接地端子、１６アンダーフィル材、１７キャビティ、１８半導体、１９金属ワイヤ、２０マイクロストリップ線路−導波管変換器、２１成形カバー、２２樹脂ペースト、２３異方性導電性樹脂、２４金属ベース、２５金属ベース基板、２６導電性樹脂、２７アンテナ素子

Claims

１つまたは２つ以上の導波管端子を有し、マイクロ波およびミリ波帯の高周波信号を送受信する高周波送受信モジュールにおいて、
１種類または２種類以上の誘電体材料を積層した多層誘電体基板にて構成され、１つまたは２つ以上の導波管端子、信号端子、制御信号端子、接地端子およびバイアス端子を上記誘電体基板の下面に配し、上記誘電体基板の上面にマイクロ波およびミリ波帯にて動作する半導体素子を収納した１つまたは２つ以上のパッケージと、１つまたは２つ以上の上記導波管端子、信号端子、制御信号端子、接地端子およびバイアス端子を上記パッケージに対応して基板の上面に配し、バイアス電圧および信号等を授受する機能を有する単層または多層の樹脂基板と、１つまたは２つ以上の上記導波管端子を有し、金属または樹脂などに金属めっきを施し、内部に導波管を形成した導波管回路とを具備し、
上記パッケージまたは樹脂基板に設けた上記導波管端子、信号端子、制御信号端子、接地端子およびバイアス端子にて、夫々対応する端子間を球状の半田を溶融して接続し、上記パッケージが搭載される樹脂基板を導波管回路に搭載したことを特徴とする高周波送受信モジュール。
上記導波管端子の周囲に配置された複数の球状の半田同士の隙間が上記導波管端子を通過する信号波長の１／４以下であり、上記導波管端子の電界面または磁界面に平行に、通過する信号の波長の１／４±３０％の隙間をもって、上記球状の半田列を１列または２列以上設けたことを特徴とする請求項１記載の高周波送受信モジュール。
上記球状の半田を配置する際、上記導波管端子の電界面に平行に、かつ上記導波管端子を挟んで配置される上記球状の半田間距離Ｌ_１と、上記導波管端子の磁界面に平行に、かつ上記導波管端子を挟んで配置される上記球状の半田から上記導波管磁界面の端までの距離Ｌ_２とを、上記導波管端子を通過する高周波信号の波長λを含む次の関係式
λ×（０．７〜１．３）＝２／（１／Ｌ_１ ^２＋１／Ｌ_２ ^２）^１／２
を満たすように定めることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波送受信モジュール。
１つの信号端子の周囲に、同心円状に複数の接地端子を設けた高周波信号端子を１つまたは２つ以上設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高周波送受信モジュール。
上記パッケージまたは上記樹脂基板に設けた導波管端子、信号端子、制御信号端子、接地端子、バイアス端子、および高周波信号端子を、球状の半田または異方性導電性樹脂を用いて接続したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高周波送受信モジュール。
上記多層誘電体基板にて構成したパッケージ内に、複数の半導体を実装するための複数のキャビティを有したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高周波送受信モジュール。
上記多層誘電体基板にて構成したパッケージにおいて、上記多層誘電体基板上に金属製の枠体を搭載し、この枠体上に金属製のカバーを乗せて溶接するか、あるいは誘電体基板を半田または導電性接着剤などにて固定しパッケージ内を気密状態にすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の高周波送受信モジュール。
上記多層誘電体基板にて構成したパッケージにおいて、金属または樹脂に金属めっき等を施し整形されたカバーを、半田または導電性接着剤などにて上記多層誘電体基板に固定しパッケージ内を気密状態にすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の高周波送受信モジュール。
上記多層誘電体基板にて構成したパッケージにて、収納する半導体素子上に、樹脂ペーストを塗布して上記半導体を気密状態にすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の高周波送受信モジュール。
上記樹脂基板は、基板の裏面に金属板を配した金属ベース基板であり、この金属板に導波管端子を配したことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の高周波送受信モジュール。
上記導波管回路と上記樹脂基板の導波管端子の周囲に、樹脂に導電性塗料を含浸させた導電性樹脂を塗布し、上記導波管回路と上記樹脂基板間で挟み込むことにより、上記導波管端子を接続することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の高周波送受信モジュール。
上記樹脂基板の裏面に、上記樹脂基板上の導波管端子に接続されるアンテナを設けたことを特徴とする請求項１乃至９、または請求項１１のいずれか１項に記載の高周波送受信モジュール。
上記パッケージまたは上記樹脂基板に設けた導波管端子、信号端子、制御端子、接地端子およびバイアス端子にて、夫々対応する端子間を接続した球状の半田のうち、導波管端子の開口部を除き、少なくとも上記パッケージの隅に配された球状の半田部分にアンダーフィル材を充填したことを特徴とする、請求項１乃至４、または請求項６乃至１２のいずれか１項に記載の高周波送受信モジュール。