JP2004519118A - 自己同調型ミリメートル波ｒｆトランシーバモジュール - Google Patents
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Abstract
自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュールが、少なくとも１つの増幅器を有するマイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）を含む。制御装置は、増幅器の動作条件を感知しかつ少なくとも１つの増幅器を最適な動作条件に調整するために、ＭＭＩＣに動作可能に接続される。制御装置は、ＭＭＩＣに動作可能に接続された表面実装マイクロコントローラチップを含む。
Description
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０００年９月１１日に出願された先願の同時係属仮出願第６０／２３１，９２６号に基づくものである。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）に関し、より詳細には、本発明は、最適な性能に向けて調整することができるマイクロ波モノリシック集積回路と、ＭＭＩＣおよびトランシーバモジュールの改良されたパッケージングに関する。
【０００３】
（発明の背景）
無線遠隔通信の最近の急増は、高性能ミリメートル波無線周波数（ＲＦ）モジュールに対する需要を増加させている。高周波ＭＭＩＣモジュールの主なコスト／歩留まり牽引力の１つは、手動調整してモジュール性能を最適化することであった。大部分のＭＭＩＣ ＲＦ増幅器は自己バイアスされていない。したがって、各増幅器は、増幅器をその公称動作条件に調整するためにゲート電圧（Ｖｇ）調節を必要とする。通常、この調整は、増幅器がモジュール内で組み立てられ、電源に接続された後で行われる。
【０００４】
モジュール内のチップにアクセスするために、プローブステーションが必要とされる。さらに、顕微鏡下でこれらの小さなデバイスをプローブするために熟練度の高いオペレータが必要である。チップの損傷は、ベテランのＭＭＩＣ技術者の場合でもきわめて普通のことである。調整の際に使用される針のようなプローブは数千ドルし、通常は摩滅のために寿命が限られている。各増幅器をプローブするのに２０から３０分かかると推定されている。
【０００５】
プロービング工程を自動化するための試みが多数なされ、いくつかの限られた成功があった。しかし、自動モジュールプロービングを設計／使用する際に必要とされる時間とコストは膨大である。大抵の場合には、独自のモジュール設計により、特定の自動プローブステーションを複数のモジュールに使用することが妨げられる。これらの欠点は、ＲＦモジュールの設計製造で活動している多数の企業に課題を与えていた。その結果、高周波モジュールは大量には生産されていない。大抵の場合には、製造者は、多数のＲＦモジュールを製造するために、高価な機器と、有資格技術者からなる大規模なスタッフを使用することを強いられている。
【０００６】
ＭＭＩＣチップのチップパッケージングもますます重要となる。ＭＭＩＣチップは壊れやすく、一般に厚さ０．０５０８ｍｍから約０．１０１６ｍｍ（２から約４ミル）であり、扱いが困難であるために、ＭＭＩＣ無線周波数モジュールが大量に製造されることはなかった。チップ表面の上に位置するエアブリッジにより、チップを上部から拾い上げる、またはチップに対して圧力をかけることが困難になっている。
【０００７】
ＭＭＩＣチップを自動で定位置に拾い上げるために、ピック・イン・プレース機器を有する特別なピックアップツールが使用されてきた。これらのツールは製造するのにコストがかかり、通常は様々なチップが異なるツールを必要とする。これは様々な製造企業に課題を与えていた。というのは、大抵の自動ピック・イン・プレース機械が、限られた数のＭＭＩＣチップ用ツールに限定されているためである。場合によっては、製造者は、１つの無線周波数モジュールを組み立てるために一連の様々なピック・イン・プレース機械を使用しなければならない。これは非効率である。
【０００８】
これらのＭＭＩＣ無線周波数モジュールはまた、通常は各モジュール内に取り付けられる多数のＭＭＩＣチップ、基板、周辺機器があるために、少量で構築される。たとえば、典型的なミリメートル波トランシーバは、ＭＭＩＣチップ約１０から約１５個、基板１５〜２０枚、抵抗器やコンデンサなど他の周辺構成部品約５０〜６０個を有することになる。また、構成部品のそれぞれをワイアボンディングまたはリボンボンディングを介して接続する要件がある。これもやはり、ミリメートル波モジュール製造企業に課題を与えていた。
【０００９】
（発明の概要）
本発明は、手動の増幅器プロービングおよびモジュール調整をなくするので有利である。低コストの表面実装マイクロコントローラを使用することにより、無線周波数モジュールの性能を、介入することなしに、通信、レーダ、光ファイバ、および他の無線周波数／光ファイバ応用例で使用するために、リアルタイムで最適化することができる。
【００１０】
本発明の一態様では、自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュールが、少なくとも１つの増幅器を有するマイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）と、増幅器の動作条件を感知しかつ少なくとも１つの増幅器を最適な動作条件に調整するために、ＭＭＩＣに動作可能に接続された制御装置とを含む。制御装置は、ＭＭＩＣに動作可能に接続された表面実装マイクロコントローラチップを備える。制御装置はまた、少なくとも１つの増幅器について記憶された最適な動作条件の値を有するメモリを含み、それにより、制御装置が記憶された最適な動作条件の値に基づいて少なくとも１つの増幅器を調整する。本発明の一態様では、メモリがＥＥＰＲＯＭとして形成される。
【００１１】
本発明の他の態様では、記憶された最適な動作条件の値が、無線周波数回路内の様々な段での最適なドレイン電流および予想される増幅器出力を含む記憶された事前設定済みＭＭＩＣ特性の値を含むことができる。制御装置は、少なくとも１つの増幅器による増幅器動作条件の変化を感知するためのセンサを含む。制御装置は、感知された変化および増幅器動作条件に基づいて少なくとも１つの増幅器を調節する。
【００１２】
感知された変化および増幅器動作条件に基づいて少なくとも１つの増幅器内でゲート電圧を段階化するために、デジタル電位差計が少なくとも１つの増幅器に動作可能に接続される。多チャネルのアナログ／デジタル変換器がセンサに動作可能に接続され、記憶された最適な動作条件の値と比較されるようにセンサ出力をデジタル化する。
【００１３】
温度センサがＭＭＩＣの温度を測定する。制御装置は、感知された温度に応答し、増幅器動作条件の変化が、変化した温度または故障の結果によるものであるかどうか判定する。電力センサダイオードが、少なくとも１つの増幅器に動作可能に接続される。制御装置は、電力感知ダイオードに応答し、少なくとも１つの増幅器を調節する。制御装置はまた、少なくとも（ａ）温度全体にわたる利得変動、（ｂ）温度および周波数に応じた電力監視回路の線形化、（ｃ）周波数に応じた利得等化、および（ｄ）周波数および温度に応じた電力減衰線形化のうち１つを補正するために動作する。
【００１４】
本発明の他の目的、特徴、利点は、添付の図面に照らして考察したとき、以下の本発明の詳細な説明から明らかになろう。
（好ましい実施の形態の詳細な説明）
以下、本発明の好ましい実施形態が示されている添付の図面を参照しながら、本発明について、より完全に述べる。しかし、本発明は、多数の様々な形態で実施することができるので、本明細書に述べる実施形態に制限されると解釈するべきではない。むしろこれらの実施形態は、本開示が徹底した、かつ完全なものとなり、また本発明の範囲を当業者に完全に伝えるように提供されている。同様な数字は、全体を通じて同様な要素を参照する。
【００１５】
本発明は有利にも、ＭＭＩＣモジュール製造の際に手動の増幅器プロービングおよびモジュール調整をなくする。低コストの表面実装デバイス群とマイクロプロセッサとを使用することにより、ＲＦモジュールの性能を、介入することなしに、通信、レーダ、光ファイバ、および他のＲＦ応用例で使用するために、リアルタイムで最適化することができる。利点には、以下を含む。
【００１６】
１．手動または自動のプロービングまたは調整なしにＲＦ ＭＭＩＣ増幅器の動作を最適化。
２．モジュールプロービングおよび調整をなくする、増幅器１つ当たり低コスト（１ドル未満）の簡単な解決策。
【００１７】
３．ダイプロービング（ｄｉｅ ｐｒｏｂｉｎｇ）または試験を必要としない自己同調。
４．少なくとも５分の１に削減されるＲＦモジュールアセンブリおよび試験。
【００１８】
５．チップレベル自己診断。
６．減衰器チップを使用することのない送信器利得および出力電力制御。
７．能動減衰器を使用しない温度補償。
【００１９】
８．出力電力に応じてＤＣ電力散逸を削減／制御すること、したがって熱条件を制御すること。
９．電力監視回路の使用を介してＲＦ電力を試験すること。
【００２０】
１０．モジュール性能の連続リアルタイム最適化のために埋込みマイクロプロセッサを使用すること。
１１．回路設計変更のないキーモジュール性能パラメータのユーザ最適化。
【００２１】
１２．電源を切ることなしに、安全のために送信器ＲＦ出力をシャットダウンすること（スリープモード）。
１３．モジュールソフトウェアのアップグレードを介してモジュール性能をアップグレードすること、すなわち、顧客は、必要とする機能に対してだけ支払う。
【００２２】
１４．特性データを記憶するためにオンボードＥＥＰＲＯＭを使用して、温度および周波数に応じて部品変動を補正すること。
図１は、ＭＭＩＣ増幅器を自己バイアスするために使用される低コストの回路を示す。回路全体が、低コストの市販（ＣＯＴＳ）表面実装チップを使用して実施されている。
【００２３】
図では、本発明の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール１０の概略回路図が示されている。モジュール１０は、モジュールとして形成された、１２で破線によって示されている無線周波数ＭＭＩＣチップと、１４で破線によって示された表面実装デジタルマイクロコントローラとを含む。
【００２４】
ＭＭＩＣモジュールは、ＭＭＩＣチップに典型的であるように複数の増幅器を含むが、１つの増幅器１６だけを示す。無線周波数信号は、フィルタ１８に入って通過し、通常のゲート、ソース、ドレインを有する増幅器１８に入る。無線周波数信号は、当業者に周知であるように、増幅器１６から他の増幅器１６ａ（存在する場合）に進む。ＭＭＩＣチップ１２は、当業者に周知であるように、１つのチップ上に多数の増幅器１６を含むことができる。表面実装デジタルコントローラ１４は、不揮発性メモリ回路を有するデジタル電位差計２０を含む。電位差計の例は、当業者に周知であるように、ＡＤ５２３３回路を含む。電位差計２０は、約−３ボルトのバイアス電圧を扱うことができる。
【００２５】
ドレイン電圧３〜１２ボルトを有するＭＡＸ４７１など、電流センサ２２が、ドレインを介して、接地と増幅器１６に結合されている。電流センサ２２は、当業者に周知であるように、ＡＤ７８１２回路など、多チャネルサンプリングのアナログ／デジタル回路２４に接続されている。他の電流センサは、他の増幅器（図示せず）に接続し、多チャネルＡ／Ｄ回路２４に接続する。温度センサ２６は、多チャネルサンプリングＡ／Ｄ回路に接続され、ＭＭＩＣモジュールの温度を測定するように動作する。マイクロプロセッサ２８は、表面実装デジタルコントローラの一部として含まれ、ＥＥＰＲＯＭ２９と、多チャネルサンプリングＡ／Ｄ回路２４および不揮発性メモリデジタル電位差計２０を含む他の構成部品とに動作可能に接続されている。図では、電位差計２０は、ＭＭＩＣ上の他の増幅器に接続され、それぞれの増幅器についてゲート電圧を段階化することができ、個別制御する。
【００２６】
また図では、増幅器１６からの無線周波数信号は、受動結合器３０から電力監視ダイオード、または接地に接続された他の検出器回路３２に進むことができる。受動結合器３０からのこの接続は、多チャネルサンプリングＡ／Ｄ回路２４に回すことができる。
【００２７】
図１に示す回路は、ドレインによって引き出された電流量（Ｉｄ）によって測定したとき、また増幅器（使用可能な場合）の出力部で検出器回路３２によって測定したとき、増幅器１６がその最適な動作条件に達するまで、増幅器ゲート電圧（Ｖｇ）を自動調節する。これは、電位差計２０から生成されるデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器出力電圧を（シリアルデジタルインターフェースを介して）制御することによって達成される。Ｄ／Ａ変換器は、不揮発性メモリを含み、４チャネルを備えて現時点において３ドル未満で現在入手可能である。
【００２８】
ゲート電圧が変化したとき、電流センサ２２は、増幅器１６によって引き出されたドレイン電流と比例した電圧出力を提供する。電流センサ出力は、ドレイン電流レベルをデジタル化する多チャネルシリアルアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）２４によってデジタル化される。電流レベルワードは、ＥＥＰＲＯＭ２９内に含まれているものなど、あらかじめ記憶されている最適な増幅器ドレイン電流レベルに比較される。ゲートバイアスレベルは、最適なドレイン電流に達するまで調節される。ＭＭＩＣチップ上で使用可能な、または外部に追加することができる検出器回路は、出力電力を測定することにより、ドレイン電流設定が最適なレベルにあることを確認する。検出器出力３２は、増幅器の出力部で予想される公称値を定義するあらかじめ記憶されている値に比較される。
【００２９】
ドレイン電流調節、電流感知および検出器出力測定は、低コストのマイクロプロセッサを使用することにより、あるいはモジュール試験中に行われる１回だけの設定を介して、リアルタイム連続調節モードで実施することができる。ＥＥＰＲＯＭ２９は、最適なドレイン電流、およびＲＦ回路内の様々な段で予想される出力など、現行のチップ特性を記憶するために使用することができる。
【００３０】
電流測定センサ２２はまた、回路内の各増幅器の診断を可能にする。電流測定回路は、電流の予期しない降下または増大を感知する。温度センサ２６を監視することにより、マイクロプロセッサ２８は、電流（Ｉｄ）の変化が温度変化または故障によって引き起こされているかどうか判定する。各増幅器１６の状態は、デジタルシリアルインターフェースを介してレポートされる。
【００３１】
熱問題のためにＤＣ電力散逸が主な問題である場合には、増幅器が最小限の電流を引き出すように、ゲートバイアス制御を介して任意の増幅器１６を調節することができる。ユーザは最大温度を選択することができ、マイクロプロセッサは、ＭＭＩＣチップ内でＤＣ電力散逸を制御することにより、その温度で、またはその温度未満にトランシーバを維持する。
【００３２】
ＲＦモジュール内で利得および出力電力を制御する従来の方法は、送信チェイン内で能動減衰器を使用することであった。これは、チェイン内の増幅器が電力を散逸するために非効率である。デジタル電位差計２０を使用することにより、各増幅器の利得および出力電力を個別に、またはグループで制御することができる。本発明は、各増幅器の後に能動減衰器を追加することなく、モジュールが利得および出力電力を無限に制御することを可能にし、したがって、コストを削減し、不必要なＤＣ電力散逸をなくする。
【００３３】
ＲＦ電力感知は、いくつかの増幅器出力電力（１５から２０ｄＢ）を受動結合器３０内に結合することにより、電力監視ダイオードおよび検出器回路３２を介して達成することができる。結合器の出力は、ダイオード３２ａによって感知される。ダイオード３２ａの出力は、シリアルＡ／Ｄ変換器を介して増幅およびデジタル化される。デジタル電位差計２０、各増幅器ごとの電流センサ２２、および温度センサ２６は、温度変化に応じてモジュールがその利得を自己調節することを可能にする。これは、モジュール温度が変化したとき、各増幅器からの事前設定済み電流を一定に維持することによって行われる。本発明の場合、モジュール利得および出力電力を高精度で制御することができる。
【００３４】
回路チェイン内の任意の段でのモジュール利得をユーザがプログラムすることができることにより、回路設計を変更することなく、送信器雑音指数（ＮＦ）対相互変調レベル（ＩＭ）など、キー性能パラメータの兼ね合せをはかるための柔軟性がもたらされる。リアルタイム個別チップ制御はまた、高変調通信のための線形モードなど所望の条件でユーザが操作することを可能にする。
【００３５】
本発明の自己最適化技法は、ミクサ、掛算器、減衰器など、ＭＭＩＣチップと共に様々なデバイスに対して使用することができることを理解されたい。ピンチオフする（最大の負のゲートバイアス）ことにより、取付け中に安全上の理由で送信チェイン内の増幅器すべてを大きく減衰（５０ｄＢ超）させることができる。本発明は、追加のスイッチまたはハードウェアを必要としない。
【００３６】
上述のように、マイクロプロセッサ２８およびチップ制御回路の使用により、モジュール製造者は、顧客が特定の応用例に対して望む機能だけ可能にすることができる。モジュールハードウェアは同一であるが、モジュール機能は、ソフトウェアによって制御されることになる。これは、無線ポイント・ツー・ポイント、ポイント・ツー・マルチポイント、またはＶｓａｔを含む多数の様々な応用例で同じモジュールを使用する柔軟性を可能にする。さらに、マイクロプロセッサおよび標準インターフェースの使用は、モジュールを取り外すことなく現場でモジュールのプログラム性およびソフトウェアアップグレード（追加機能のため）を可能にする。
【００３７】
関連づけられたマイクロプロセッサ２８およびオンボードＥＥＰＲＯＭ２９を有するマイクロコントローラ１４の使用は、モジュール内の様々な機能の補正および調整を可能にする。補正は、それだけには限らないが、（ａ）温度全体にわたる利得変動、（ｂ）温度および周波数に応じた電力監視回路の線形化、（ｃ）周波数に応じた利得等化、および（ｄ）周波数および温度に応じた電力減衰線形化を含む。ＲＦモジュールと共に能動デバイスのそれぞれを制御するためのマイクロプロセッサ２８の使用、および補正係数を記憶するためのＥＥＰＲＯＭ２９の使用は、高度の柔軟性を可能にし、高い精度と性能でモジュールが動作することを可能にする。モジュールを特徴付けるデータ（利得、電力、雑音指数）は、モジュール試験中に温度および周波数全体にわたって収集される。補正係数は、テストステーションによって自動計算され、ＥＥＰＲＯＭ２９内に記憶される。補正係数は通常のモジュール動作中に使用され、所望の性能を実現する。
【００３８】
本発明はまた、図２、２Ａ、２Ｂに示すように、改良されたＭＭＩＣチップパッケージを提供する。ＭＭＩＣパッケージ４０は、いくつかの利点を有する。
１．熱膨張係数（ＣＴＥ）一致型パッケージ内でＭＭＩＣチップの保護。
【００３９】
２．非常に低コストでのＭＭＩＣチップのパッケージング。
３．壊れやすいＭＭＩＣの損傷を引き起こすことのない改良された自動ピック・アンド・プレース、直接ワイアボンディングおよびリボンボンディング。
【００４０】
４．小型パッケージングによる改良されたチップ性能（分離）。
５．アルミニウムなど低コストの材料で形成されたＲＦモジュールハウジング。
【００４１】
図２は、パッケージ４０の分解等角投影図を示し、ＭＭＩＣチップ４２、およびＭＭＩＣとその熱膨張係数（ＣＴＥ）が一致しているベースプレート４４を示す。はんだプリフォーム（ｓｏｌｄｅｒ ｐｒｅｆｏｒｍ）４６はベースプレート４４上に含まれ、ＭＭＩＣは、はんだプリフォーム４６上に載置されている。チップカバー４８は、ＭＭＩＣを覆う。図では、ベースプレートは、端部領域を開いたままにするように、成形された縁部の一部分に沿って延びる、対向する側部レール４４ａを含む。チップカバー４８は、対向する２つの離間された、重なり合う脚部４８ａを含む。対向する側部レール４４ａおよび重なり合う脚部４８ａは、チップカバーがＭＭＩＣチップ４２、はんだプリフォーム４６、およびＣＴＥ一致ベースプレート４４の上に配置されたとき、図２Ａおよび２Ｂに示すように、側部レールおよび重なり合う脚部がそれぞれのチップカバーおよびベースプレートと係合して、隅の上部および側部で開いた領域を形成し、ＭＭＩＣにワイアボンディングおよびリボンボンディングするためにＭＭＩＣ上のパッド５０を露出しておくように構成される。
【００４２】
ＭＭＩＣモジュールの生産は、チップの取扱いを容易にするために、ＭＭＩＣチップをパッケージングすることによって表面実装技術と同様にすることができる。ベースプレート４４は、銅タングステン合金、ＣｕＷ、またはアルミニウムシリコン合金、ＡＬＳｉなど低コストの熱膨張係数（ＣＴＥ）一致材料で形成され、厚さ約０．２５４〜０．３８１ｍｍ（約１０〜１５ミル）を有する。カバー４８は、プラスチックを含む多様な材料で作製することができる。０．０２５４〜０．０５０８ｍｍ（１〜２ミル）のはんだプリフォーム（金スズなど）がベースプレート４４上で受け取られる。カバー４８は、チップ入力／出力パッドおよびＤＣパッド（ゲートおよびドレイン）を覆わないような形で形作られる。
【００４３】
ベースプレート４４、カバー４８、はんだプリフォーム４６、ＭＭＩＣチップ４２は、ワッフルパックまたは類似のパッケージングで送達される。これらのパッケージは、当業者に周知であるように、自動ピック・アンド・プレース（Ｐ＆Ｐ）機械上で配置される。Ｐ＆Ｐ機械は、ベースプレートを拾い上げ、共晶はんだ付け（グラファイトなど）のために高温で使用することができるワッフルパック（ｗａｆｆｌｅ ｐａｃｋ）内に配置され、当業者に周知の温度範囲を使用する。Ｐ＆Ｐ機械は、はんだプリフォーム４６をベースプレート４４内に拾い上げて配置する。ＭＭＩＣチップは、はんだプリフォーム４６の上部に配置される。カバーがチップ４２の上部を覆って配置される。すべてのＭＭＩＣチップについてこの工程が繰り返される。
【００４４】
１チップパッケージ当たりの総Ｐ＆Ｐは、約１０秒になると推定される。単一のＰ＆Ｐ機械を使用して１日にパッケージできるチップ数は、８０００個を優に超える。ＭＭＩＣチップを含むパッケージアセンブリと共にワッフルパック全体を共晶はんだオーブン内に配置し、はんだをフローし、チップをベースプレートに取り付け、カバーをベースプレートに取り付ける。
【００４５】
図３〜５は、グリーンテープとして知られる低温焼成セラミック技術など、厚膜技術を使用して改良された無線周波数トランシーバモジュールを示す。より具体的には、図４は低温転写テープ技術（ＬＴＴＴ）シートの様々な層を有する多層基板５０を示し、ＤＣ信号層５２、接地層５４、埋込みコンデンサおよび抵抗器層５６、はんだプリフォーム層５８、上部層６０を含む。
【００４６】
図３は、図４の様々な層がどのように組み合わされて、チャネル化プレート６４および無線周波数カバー６６と共にベースプレート６２上で受け取られる多層厚膜基板５０を形成するかを示す。分離ビア６７が示され、例示されている。これらのビアは、複数の層を跨いで接地層に及ぶことができる。ビアは、当業者に周知の技法によって形成することができる。
【００４７】
図５は、導波路インターフェース７２がチャネル化プレート６４内に構築されたＭＭＩＣトランシーバモジュール７０を示し、中間周波数出力７４、局部発振器入力７６、中間周波数入力７８、様々なＤＣピン８０、ＣＣＡ上のモジュールコネクタ８２および外部コネクタ８４を示す。
【００４８】
本発明は、ＭＭＩＣチップ８６を取り付け、すべての周辺機器および電気接続を多層厚膜内に埋め込むために、低コストの多層転写テープ厚膜板５０を使用することによって、ＭＭＩＣモジュール組立工程を改善する。本発明は、いくつかの利点を提供する。
【００４９】
１．ＭＭＷモジュール設計および作製のために低温転写テープ技術（ＬＴＴＴ）多層板の新規な使用。
２．部品数を５分の１に削減することによってＭＭＩＣモジュールアセンブリの単純化。
【００５０】
３．すべての抵抗器およびコンデンサを多層厚膜板内に埋め込むことによって周辺構成部品数を削減すること。
４．電気接続を多層板内に埋め込み、それによってワイアボンドおよびリボンボンドの数を削減すること。
【００５１】
５．組立てを容易にするために平坦モジュール構成を使用し、次いでダイアセンブリの後でＲＦチャネル化を取り付けること。
６．チャネル化、区画化、および接地ビアを介してＲＦ分離を改善すること。
【００５２】
７．マシニングではなく、チャネル化のためにワイアＥＤＭ法を使用することによってハウジングコストを削減すること。
８．ＳＭＡおよびＫコネクタを多層基板に直接取り付けること。
【００５３】
ＭＭＩＣモジュール生産は、組立工程の完全自動化を可能にするようにＭＭＩＣモジュールをパッケージングすることにより、表面実装技術と同様にされる。図３に示すように、モジュールは、ベースプレート６２、層群から形成された多層アルミナ基板５０、チャネル化プレート６４、カバー６６で構成されている。
【００５４】
ベースプレート６２は、本発明の一態様では、厚さ約３．１７５ｍｍ（約１／８インチ）の銅タングステン（ＣｕＷ）など低コストのＣＴＥ一致材料の金めっき済み平板である。プレートはサイズに切断されるだけであり、マシニングは必要としない。
【００５５】
多層基板５０は、当業者に周知であるように、低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ）シートに類似のグリーンテープ技術に類似のものなど、低温転写テープ（ＬＴＴＴ）技術を使用して作製される。ＬＴＴＴ加工は、当業者に周知であるように、十分確立された多層厚膜加工で使用されるステップに密接に従う。１層当たり複数の誘電体印刷がテープ積層ステップで置き換えられる。金導体系も銀導体系もＬＴＴＴと共に使用することができる。相互接続およびビアは、当業者に周知の技法によって形成される。
【００５６】
多層構造を形成するためのＬＴＴＴ工程は多種多様な誘電体材料および基板に応用することができるが、本発明のこの例示されている態様について選択された材料は、標準的な９６％アルミナ基板である。導電性相互接続および層間ビアを形成するために開発された標準的な厚膜機器および加工技法を使用して、特別配合の導体材料をアルミナ基板上でスクリーン印刷する。テープシートは、熱と圧力の組合せを使用して基板に結合される。
【００５７】
図４は、アルミナ板を形成するために使用することができるタイプの層の一例を示す。層の数は、１２層と同数にすることができる。層は、図のように、当業者に周知のタイプのベース基板（Ｓ）上で形成することができる。各層は、厚さ約０．０５０８ｍｍから約０．１０１６ｍｍ（約２から約４ミル）、典型的には厚さ約０．０７６２ｍｍ（約３ミル）であり、低周波ＲＦ信号、ＤＣ信号、接地、またはコンデンサおよび抵抗器など埋込み受動構成部品を担持するために使用することができる。相互接続または接地ビアは、ＬＴＴＴ膜の１つまたは複数の層を跨いで実施することができる。
【００５８】
この多層ＬＴＴＴアルミナ基板は、そのＣＴＥ係数（７．１）のためにＧａＡｓチップと共に使用するのに特に魅力的である。また、この材料は、優れた熱伝導率（２５〜２００Ｗ／ｍＫ）を有する。ＭＭＩＣ ＧａＡｓチップは、金スズはんだプリフォームまたは銀エポキシを使用して基板に直接取り付けることができる。熱問題の場合には、ＣＴＥ一致シムを使用して直接ベースプレートに、あるいは底面に接続される熱ビアの上部に、チップを取り付けてもよい。これらのビアは、当業者に周知の技法によって形成することができる。組立ておよびワイアボンディングを容易にするために、上部層（厚さ０．０７６２ｍｍ（３ミル）から０．１０１６ｍｍ（４ミル））は、正確にチップのサイズにされた切抜きを有することになる（図５参照）。
【００５９】
多層基板は、１層当たりで６．５平方センチメートル（１平方インチ）当たり平均約１．５ドルから２．５ドルである。６．５平方センチメートル（１平方インチ）当たり２７５個までのビアが可能である。
【００６０】
本発明の一態様では、チャネル化プレート６４が金めっきアルミニウムで形成されているが、他の材料を使用することもできよう。チャネル６４ａは、ワイアＥＤＭ法を使用して切り抜く。チャネル６４ａは、送信信号と受信器信号の間で必要とされる分離を提供するために、また低周波信号に対するカットオフを生成するために作成する。ＲＦカバーもまた、金めっきアルミニウムで構成される。
【００６１】
図５は、レギュレータ／制御装置機能を提供するために使用される表面実装回路カードアセンブリ（ＣＣＡ）を含むＭＭＷトランシーバモジュールを示す。ＳＭＡコネクタは、多層基板に直接取り付けられている。ＲＦインターフェース導波路は、チャネル化プレートの一部として設けられている。
【００６２】
図５に示すモジュールは、１つの限定しない例として以下の技法によって組み立てることができる。
１．ＭＭＩＣチップすべてを多層アルミナ基板上に拾い上げて配置する。基板は、すべての低周波信号接続、ＤＣ接続、接地接続、層群およびはんだプリフォーム内にすでに埋め込まれた受動デバイスを有するべきである。
【００６３】
２．ＤＣコネクタと、ＩＦ信号およびＬＯ信号のために使用される低周波ＳＭＡコネクタとを拾い上げて配置する。
３．真空オーブン内ではんだをフローし、ＭＭＩＣダイおよびコネクタを基板に取り付ける。はんだの代わりに銀エポキシを使用してもよい。
【００６４】
４．ＭＭＩＣチップを基板にワイア／ウェッジボンドする。
５．エポキシを使用して基板をベースプレートおよびチャネル化プレートに取り付ける。
【００６５】
６．ＲＦカバーを取り付ける。
７．レギュレータ／制御装置表面実装ＣＣＡを取り付ける。
本出願は、同じ譲受人および発明者によって同日に出願された「ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＭＯＮＯＬＩＴＨＩＣ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＰＡＣＫＡＧＥ」および「ＴＨＩＣＫ ＦＩＬＭ ＭＩＬＬＩＭＥＴＥＲ ＷＡＶＥ ＴＲＡＮＳＣＥＩＶＥＲ ＭＯＤＵＬＥ」という名称の同時係属特許出願に関し、その開示を参照により本明細書に組み込む。
【００６６】
前述の説明および関連図面で提示された教示の利益を受ける当業者なら、本発明の多数の修正形態および他の実施形態に想到するであろう。したがって、開示された特定の実施形態に本発明を制限するべきでないこと、また修正形態および実施形態を従属請求項の範囲内に含むものとすることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュールの概略回路図である。
【図２】
本発明のマイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）パッケージの分解等角投影図である。
図２Ａは、図２に示すＭＭＩＣパッケージの平面図である。
図２Ｂは、図２に示すＭＭＩＣパッケージの側部選択図である。
【図３】
多層厚膜ミリメートル波無線周波数トランシーバモジュールの分解等角投影図であり、カバー、チャネル化セクション、多層厚膜セクション、下部プレートを示す。
【図４】
厚膜セクションの様々な層の分解等角投影図である。
【図５】
トランシーバモジュールの分解等角投影図であり、様々な接続を示す。
（関連出願）
本出願は、２０００年９月１１日に出願された先願の同時係属仮出願第６０／２３１，９２６号に基づくものである。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）に関し、より詳細には、本発明は、最適な性能に向けて調整することができるマイクロ波モノリシック集積回路と、ＭＭＩＣおよびトランシーバモジュールの改良されたパッケージングに関する。
【０００３】
（発明の背景）
無線遠隔通信の最近の急増は、高性能ミリメートル波無線周波数（ＲＦ）モジュールに対する需要を増加させている。高周波ＭＭＩＣモジュールの主なコスト／歩留まり牽引力の１つは、手動調整してモジュール性能を最適化することであった。大部分のＭＭＩＣ ＲＦ増幅器は自己バイアスされていない。したがって、各増幅器は、増幅器をその公称動作条件に調整するためにゲート電圧（Ｖｇ）調節を必要とする。通常、この調整は、増幅器がモジュール内で組み立てられ、電源に接続された後で行われる。
【０００４】
モジュール内のチップにアクセスするために、プローブステーションが必要とされる。さらに、顕微鏡下でこれらの小さなデバイスをプローブするために熟練度の高いオペレータが必要である。チップの損傷は、ベテランのＭＭＩＣ技術者の場合でもきわめて普通のことである。調整の際に使用される針のようなプローブは数千ドルし、通常は摩滅のために寿命が限られている。各増幅器をプローブするのに２０から３０分かかると推定されている。
【０００５】
プロービング工程を自動化するための試みが多数なされ、いくつかの限られた成功があった。しかし、自動モジュールプロービングを設計／使用する際に必要とされる時間とコストは膨大である。大抵の場合には、独自のモジュール設計により、特定の自動プローブステーションを複数のモジュールに使用することが妨げられる。これらの欠点は、ＲＦモジュールの設計製造で活動している多数の企業に課題を与えていた。その結果、高周波モジュールは大量には生産されていない。大抵の場合には、製造者は、多数のＲＦモジュールを製造するために、高価な機器と、有資格技術者からなる大規模なスタッフを使用することを強いられている。
【０００６】
ＭＭＩＣチップのチップパッケージングもますます重要となる。ＭＭＩＣチップは壊れやすく、一般に厚さ０．０５０８ｍｍから約０．１０１６ｍｍ（２から約４ミル）であり、扱いが困難であるために、ＭＭＩＣ無線周波数モジュールが大量に製造されることはなかった。チップ表面の上に位置するエアブリッジにより、チップを上部から拾い上げる、またはチップに対して圧力をかけることが困難になっている。
【０００７】
ＭＭＩＣチップを自動で定位置に拾い上げるために、ピック・イン・プレース機器を有する特別なピックアップツールが使用されてきた。これらのツールは製造するのにコストがかかり、通常は様々なチップが異なるツールを必要とする。これは様々な製造企業に課題を与えていた。というのは、大抵の自動ピック・イン・プレース機械が、限られた数のＭＭＩＣチップ用ツールに限定されているためである。場合によっては、製造者は、１つの無線周波数モジュールを組み立てるために一連の様々なピック・イン・プレース機械を使用しなければならない。これは非効率である。
【０００８】
これらのＭＭＩＣ無線周波数モジュールはまた、通常は各モジュール内に取り付けられる多数のＭＭＩＣチップ、基板、周辺機器があるために、少量で構築される。たとえば、典型的なミリメートル波トランシーバは、ＭＭＩＣチップ約１０から約１５個、基板１５〜２０枚、抵抗器やコンデンサなど他の周辺構成部品約５０〜６０個を有することになる。また、構成部品のそれぞれをワイアボンディングまたはリボンボンディングを介して接続する要件がある。これもやはり、ミリメートル波モジュール製造企業に課題を与えていた。
【０００９】
（発明の概要）
本発明は、手動の増幅器プロービングおよびモジュール調整をなくするので有利である。低コストの表面実装マイクロコントローラを使用することにより、無線周波数モジュールの性能を、介入することなしに、通信、レーダ、光ファイバ、および他の無線周波数／光ファイバ応用例で使用するために、リアルタイムで最適化することができる。
【００１０】
本発明の一態様では、自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュールが、少なくとも１つの増幅器を有するマイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）と、増幅器の動作条件を感知しかつ少なくとも１つの増幅器を最適な動作条件に調整するために、ＭＭＩＣに動作可能に接続された制御装置とを含む。制御装置は、ＭＭＩＣに動作可能に接続された表面実装マイクロコントローラチップを備える。制御装置はまた、少なくとも１つの増幅器について記憶された最適な動作条件の値を有するメモリを含み、それにより、制御装置が記憶された最適な動作条件の値に基づいて少なくとも１つの増幅器を調整する。本発明の一態様では、メモリがＥＥＰＲＯＭとして形成される。
【００１１】
本発明の他の態様では、記憶された最適な動作条件の値が、無線周波数回路内の様々な段での最適なドレイン電流および予想される増幅器出力を含む記憶された事前設定済みＭＭＩＣ特性の値を含むことができる。制御装置は、少なくとも１つの増幅器による増幅器動作条件の変化を感知するためのセンサを含む。制御装置は、感知された変化および増幅器動作条件に基づいて少なくとも１つの増幅器を調節する。
【００１２】
感知された変化および増幅器動作条件に基づいて少なくとも１つの増幅器内でゲート電圧を段階化するために、デジタル電位差計が少なくとも１つの増幅器に動作可能に接続される。多チャネルのアナログ／デジタル変換器がセンサに動作可能に接続され、記憶された最適な動作条件の値と比較されるようにセンサ出力をデジタル化する。
【００１３】
温度センサがＭＭＩＣの温度を測定する。制御装置は、感知された温度に応答し、増幅器動作条件の変化が、変化した温度または故障の結果によるものであるかどうか判定する。電力センサダイオードが、少なくとも１つの増幅器に動作可能に接続される。制御装置は、電力感知ダイオードに応答し、少なくとも１つの増幅器を調節する。制御装置はまた、少なくとも（ａ）温度全体にわたる利得変動、（ｂ）温度および周波数に応じた電力監視回路の線形化、（ｃ）周波数に応じた利得等化、および（ｄ）周波数および温度に応じた電力減衰線形化のうち１つを補正するために動作する。
【００１４】
本発明の他の目的、特徴、利点は、添付の図面に照らして考察したとき、以下の本発明の詳細な説明から明らかになろう。
（好ましい実施の形態の詳細な説明）
以下、本発明の好ましい実施形態が示されている添付の図面を参照しながら、本発明について、より完全に述べる。しかし、本発明は、多数の様々な形態で実施することができるので、本明細書に述べる実施形態に制限されると解釈するべきではない。むしろこれらの実施形態は、本開示が徹底した、かつ完全なものとなり、また本発明の範囲を当業者に完全に伝えるように提供されている。同様な数字は、全体を通じて同様な要素を参照する。
【００１５】
本発明は有利にも、ＭＭＩＣモジュール製造の際に手動の増幅器プロービングおよびモジュール調整をなくする。低コストの表面実装デバイス群とマイクロプロセッサとを使用することにより、ＲＦモジュールの性能を、介入することなしに、通信、レーダ、光ファイバ、および他のＲＦ応用例で使用するために、リアルタイムで最適化することができる。利点には、以下を含む。
【００１６】
１．手動または自動のプロービングまたは調整なしにＲＦ ＭＭＩＣ増幅器の動作を最適化。
２．モジュールプロービングおよび調整をなくする、増幅器１つ当たり低コスト（１ドル未満）の簡単な解決策。
【００１７】
３．ダイプロービング（ｄｉｅ ｐｒｏｂｉｎｇ）または試験を必要としない自己同調。
４．少なくとも５分の１に削減されるＲＦモジュールアセンブリおよび試験。
【００１８】
５．チップレベル自己診断。
６．減衰器チップを使用することのない送信器利得および出力電力制御。
７．能動減衰器を使用しない温度補償。
【００１９】
８．出力電力に応じてＤＣ電力散逸を削減／制御すること、したがって熱条件を制御すること。
９．電力監視回路の使用を介してＲＦ電力を試験すること。
【００２０】
１０．モジュール性能の連続リアルタイム最適化のために埋込みマイクロプロセッサを使用すること。
１１．回路設計変更のないキーモジュール性能パラメータのユーザ最適化。
【００２１】
１２．電源を切ることなしに、安全のために送信器ＲＦ出力をシャットダウンすること（スリープモード）。
１３．モジュールソフトウェアのアップグレードを介してモジュール性能をアップグレードすること、すなわち、顧客は、必要とする機能に対してだけ支払う。
【００２２】
１４．特性データを記憶するためにオンボードＥＥＰＲＯＭを使用して、温度および周波数に応じて部品変動を補正すること。
図１は、ＭＭＩＣ増幅器を自己バイアスするために使用される低コストの回路を示す。回路全体が、低コストの市販（ＣＯＴＳ）表面実装チップを使用して実施されている。
【００２３】
図では、本発明の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール１０の概略回路図が示されている。モジュール１０は、モジュールとして形成された、１２で破線によって示されている無線周波数ＭＭＩＣチップと、１４で破線によって示された表面実装デジタルマイクロコントローラとを含む。
【００２４】
ＭＭＩＣモジュールは、ＭＭＩＣチップに典型的であるように複数の増幅器を含むが、１つの増幅器１６だけを示す。無線周波数信号は、フィルタ１８に入って通過し、通常のゲート、ソース、ドレインを有する増幅器１８に入る。無線周波数信号は、当業者に周知であるように、増幅器１６から他の増幅器１６ａ（存在する場合）に進む。ＭＭＩＣチップ１２は、当業者に周知であるように、１つのチップ上に多数の増幅器１６を含むことができる。表面実装デジタルコントローラ１４は、不揮発性メモリ回路を有するデジタル電位差計２０を含む。電位差計の例は、当業者に周知であるように、ＡＤ５２３３回路を含む。電位差計２０は、約−３ボルトのバイアス電圧を扱うことができる。
【００２５】
ドレイン電圧３〜１２ボルトを有するＭＡＸ４７１など、電流センサ２２が、ドレインを介して、接地と増幅器１６に結合されている。電流センサ２２は、当業者に周知であるように、ＡＤ７８１２回路など、多チャネルサンプリングのアナログ／デジタル回路２４に接続されている。他の電流センサは、他の増幅器（図示せず）に接続し、多チャネルＡ／Ｄ回路２４に接続する。温度センサ２６は、多チャネルサンプリングＡ／Ｄ回路に接続され、ＭＭＩＣモジュールの温度を測定するように動作する。マイクロプロセッサ２８は、表面実装デジタルコントローラの一部として含まれ、ＥＥＰＲＯＭ２９と、多チャネルサンプリングＡ／Ｄ回路２４および不揮発性メモリデジタル電位差計２０を含む他の構成部品とに動作可能に接続されている。図では、電位差計２０は、ＭＭＩＣ上の他の増幅器に接続され、それぞれの増幅器についてゲート電圧を段階化することができ、個別制御する。
【００２６】
また図では、増幅器１６からの無線周波数信号は、受動結合器３０から電力監視ダイオード、または接地に接続された他の検出器回路３２に進むことができる。受動結合器３０からのこの接続は、多チャネルサンプリングＡ／Ｄ回路２４に回すことができる。
【００２７】
図１に示す回路は、ドレインによって引き出された電流量（Ｉｄ）によって測定したとき、また増幅器（使用可能な場合）の出力部で検出器回路３２によって測定したとき、増幅器１６がその最適な動作条件に達するまで、増幅器ゲート電圧（Ｖｇ）を自動調節する。これは、電位差計２０から生成されるデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器出力電圧を（シリアルデジタルインターフェースを介して）制御することによって達成される。Ｄ／Ａ変換器は、不揮発性メモリを含み、４チャネルを備えて現時点において３ドル未満で現在入手可能である。
【００２８】
ゲート電圧が変化したとき、電流センサ２２は、増幅器１６によって引き出されたドレイン電流と比例した電圧出力を提供する。電流センサ出力は、ドレイン電流レベルをデジタル化する多チャネルシリアルアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）２４によってデジタル化される。電流レベルワードは、ＥＥＰＲＯＭ２９内に含まれているものなど、あらかじめ記憶されている最適な増幅器ドレイン電流レベルに比較される。ゲートバイアスレベルは、最適なドレイン電流に達するまで調節される。ＭＭＩＣチップ上で使用可能な、または外部に追加することができる検出器回路は、出力電力を測定することにより、ドレイン電流設定が最適なレベルにあることを確認する。検出器出力３２は、増幅器の出力部で予想される公称値を定義するあらかじめ記憶されている値に比較される。
【００２９】
ドレイン電流調節、電流感知および検出器出力測定は、低コストのマイクロプロセッサを使用することにより、あるいはモジュール試験中に行われる１回だけの設定を介して、リアルタイム連続調節モードで実施することができる。ＥＥＰＲＯＭ２９は、最適なドレイン電流、およびＲＦ回路内の様々な段で予想される出力など、現行のチップ特性を記憶するために使用することができる。
【００３０】
電流測定センサ２２はまた、回路内の各増幅器の診断を可能にする。電流測定回路は、電流の予期しない降下または増大を感知する。温度センサ２６を監視することにより、マイクロプロセッサ２８は、電流（Ｉｄ）の変化が温度変化または故障によって引き起こされているかどうか判定する。各増幅器１６の状態は、デジタルシリアルインターフェースを介してレポートされる。
【００３１】
熱問題のためにＤＣ電力散逸が主な問題である場合には、増幅器が最小限の電流を引き出すように、ゲートバイアス制御を介して任意の増幅器１６を調節することができる。ユーザは最大温度を選択することができ、マイクロプロセッサは、ＭＭＩＣチップ内でＤＣ電力散逸を制御することにより、その温度で、またはその温度未満にトランシーバを維持する。
【００３２】
ＲＦモジュール内で利得および出力電力を制御する従来の方法は、送信チェイン内で能動減衰器を使用することであった。これは、チェイン内の増幅器が電力を散逸するために非効率である。デジタル電位差計２０を使用することにより、各増幅器の利得および出力電力を個別に、またはグループで制御することができる。本発明は、各増幅器の後に能動減衰器を追加することなく、モジュールが利得および出力電力を無限に制御することを可能にし、したがって、コストを削減し、不必要なＤＣ電力散逸をなくする。
【００３３】
ＲＦ電力感知は、いくつかの増幅器出力電力（１５から２０ｄＢ）を受動結合器３０内に結合することにより、電力監視ダイオードおよび検出器回路３２を介して達成することができる。結合器の出力は、ダイオード３２ａによって感知される。ダイオード３２ａの出力は、シリアルＡ／Ｄ変換器を介して増幅およびデジタル化される。デジタル電位差計２０、各増幅器ごとの電流センサ２２、および温度センサ２６は、温度変化に応じてモジュールがその利得を自己調節することを可能にする。これは、モジュール温度が変化したとき、各増幅器からの事前設定済み電流を一定に維持することによって行われる。本発明の場合、モジュール利得および出力電力を高精度で制御することができる。
【００３４】
回路チェイン内の任意の段でのモジュール利得をユーザがプログラムすることができることにより、回路設計を変更することなく、送信器雑音指数（ＮＦ）対相互変調レベル（ＩＭ）など、キー性能パラメータの兼ね合せをはかるための柔軟性がもたらされる。リアルタイム個別チップ制御はまた、高変調通信のための線形モードなど所望の条件でユーザが操作することを可能にする。
【００３５】
本発明の自己最適化技法は、ミクサ、掛算器、減衰器など、ＭＭＩＣチップと共に様々なデバイスに対して使用することができることを理解されたい。ピンチオフする（最大の負のゲートバイアス）ことにより、取付け中に安全上の理由で送信チェイン内の増幅器すべてを大きく減衰（５０ｄＢ超）させることができる。本発明は、追加のスイッチまたはハードウェアを必要としない。
【００３６】
上述のように、マイクロプロセッサ２８およびチップ制御回路の使用により、モジュール製造者は、顧客が特定の応用例に対して望む機能だけ可能にすることができる。モジュールハードウェアは同一であるが、モジュール機能は、ソフトウェアによって制御されることになる。これは、無線ポイント・ツー・ポイント、ポイント・ツー・マルチポイント、またはＶｓａｔを含む多数の様々な応用例で同じモジュールを使用する柔軟性を可能にする。さらに、マイクロプロセッサおよび標準インターフェースの使用は、モジュールを取り外すことなく現場でモジュールのプログラム性およびソフトウェアアップグレード（追加機能のため）を可能にする。
【００３７】
関連づけられたマイクロプロセッサ２８およびオンボードＥＥＰＲＯＭ２９を有するマイクロコントローラ１４の使用は、モジュール内の様々な機能の補正および調整を可能にする。補正は、それだけには限らないが、（ａ）温度全体にわたる利得変動、（ｂ）温度および周波数に応じた電力監視回路の線形化、（ｃ）周波数に応じた利得等化、および（ｄ）周波数および温度に応じた電力減衰線形化を含む。ＲＦモジュールと共に能動デバイスのそれぞれを制御するためのマイクロプロセッサ２８の使用、および補正係数を記憶するためのＥＥＰＲＯＭ２９の使用は、高度の柔軟性を可能にし、高い精度と性能でモジュールが動作することを可能にする。モジュールを特徴付けるデータ（利得、電力、雑音指数）は、モジュール試験中に温度および周波数全体にわたって収集される。補正係数は、テストステーションによって自動計算され、ＥＥＰＲＯＭ２９内に記憶される。補正係数は通常のモジュール動作中に使用され、所望の性能を実現する。
【００３８】
本発明はまた、図２、２Ａ、２Ｂに示すように、改良されたＭＭＩＣチップパッケージを提供する。ＭＭＩＣパッケージ４０は、いくつかの利点を有する。
１．熱膨張係数（ＣＴＥ）一致型パッケージ内でＭＭＩＣチップの保護。
【００３９】
２．非常に低コストでのＭＭＩＣチップのパッケージング。
３．壊れやすいＭＭＩＣの損傷を引き起こすことのない改良された自動ピック・アンド・プレース、直接ワイアボンディングおよびリボンボンディング。
【００４０】
４．小型パッケージングによる改良されたチップ性能（分離）。
５．アルミニウムなど低コストの材料で形成されたＲＦモジュールハウジング。
【００４１】
図２は、パッケージ４０の分解等角投影図を示し、ＭＭＩＣチップ４２、およびＭＭＩＣとその熱膨張係数（ＣＴＥ）が一致しているベースプレート４４を示す。はんだプリフォーム（ｓｏｌｄｅｒ ｐｒｅｆｏｒｍ）４６はベースプレート４４上に含まれ、ＭＭＩＣは、はんだプリフォーム４６上に載置されている。チップカバー４８は、ＭＭＩＣを覆う。図では、ベースプレートは、端部領域を開いたままにするように、成形された縁部の一部分に沿って延びる、対向する側部レール４４ａを含む。チップカバー４８は、対向する２つの離間された、重なり合う脚部４８ａを含む。対向する側部レール４４ａおよび重なり合う脚部４８ａは、チップカバーがＭＭＩＣチップ４２、はんだプリフォーム４６、およびＣＴＥ一致ベースプレート４４の上に配置されたとき、図２Ａおよび２Ｂに示すように、側部レールおよび重なり合う脚部がそれぞれのチップカバーおよびベースプレートと係合して、隅の上部および側部で開いた領域を形成し、ＭＭＩＣにワイアボンディングおよびリボンボンディングするためにＭＭＩＣ上のパッド５０を露出しておくように構成される。
【００４２】
ＭＭＩＣモジュールの生産は、チップの取扱いを容易にするために、ＭＭＩＣチップをパッケージングすることによって表面実装技術と同様にすることができる。ベースプレート４４は、銅タングステン合金、ＣｕＷ、またはアルミニウムシリコン合金、ＡＬＳｉなど低コストの熱膨張係数（ＣＴＥ）一致材料で形成され、厚さ約０．２５４〜０．３８１ｍｍ（約１０〜１５ミル）を有する。カバー４８は、プラスチックを含む多様な材料で作製することができる。０．０２５４〜０．０５０８ｍｍ（１〜２ミル）のはんだプリフォーム（金スズなど）がベースプレート４４上で受け取られる。カバー４８は、チップ入力／出力パッドおよびＤＣパッド（ゲートおよびドレイン）を覆わないような形で形作られる。
【００４３】
ベースプレート４４、カバー４８、はんだプリフォーム４６、ＭＭＩＣチップ４２は、ワッフルパックまたは類似のパッケージングで送達される。これらのパッケージは、当業者に周知であるように、自動ピック・アンド・プレース（Ｐ＆Ｐ）機械上で配置される。Ｐ＆Ｐ機械は、ベースプレートを拾い上げ、共晶はんだ付け（グラファイトなど）のために高温で使用することができるワッフルパック（ｗａｆｆｌｅ ｐａｃｋ）内に配置され、当業者に周知の温度範囲を使用する。Ｐ＆Ｐ機械は、はんだプリフォーム４６をベースプレート４４内に拾い上げて配置する。ＭＭＩＣチップは、はんだプリフォーム４６の上部に配置される。カバーがチップ４２の上部を覆って配置される。すべてのＭＭＩＣチップについてこの工程が繰り返される。
【００４４】
１チップパッケージ当たりの総Ｐ＆Ｐは、約１０秒になると推定される。単一のＰ＆Ｐ機械を使用して１日にパッケージできるチップ数は、８０００個を優に超える。ＭＭＩＣチップを含むパッケージアセンブリと共にワッフルパック全体を共晶はんだオーブン内に配置し、はんだをフローし、チップをベースプレートに取り付け、カバーをベースプレートに取り付ける。
【００４５】
図３〜５は、グリーンテープとして知られる低温焼成セラミック技術など、厚膜技術を使用して改良された無線周波数トランシーバモジュールを示す。より具体的には、図４は低温転写テープ技術（ＬＴＴＴ）シートの様々な層を有する多層基板５０を示し、ＤＣ信号層５２、接地層５４、埋込みコンデンサおよび抵抗器層５６、はんだプリフォーム層５８、上部層６０を含む。
【００４６】
図３は、図４の様々な層がどのように組み合わされて、チャネル化プレート６４および無線周波数カバー６６と共にベースプレート６２上で受け取られる多層厚膜基板５０を形成するかを示す。分離ビア６７が示され、例示されている。これらのビアは、複数の層を跨いで接地層に及ぶことができる。ビアは、当業者に周知の技法によって形成することができる。
【００４７】
図５は、導波路インターフェース７２がチャネル化プレート６４内に構築されたＭＭＩＣトランシーバモジュール７０を示し、中間周波数出力７４、局部発振器入力７６、中間周波数入力７８、様々なＤＣピン８０、ＣＣＡ上のモジュールコネクタ８２および外部コネクタ８４を示す。
【００４８】
本発明は、ＭＭＩＣチップ８６を取り付け、すべての周辺機器および電気接続を多層厚膜内に埋め込むために、低コストの多層転写テープ厚膜板５０を使用することによって、ＭＭＩＣモジュール組立工程を改善する。本発明は、いくつかの利点を提供する。
【００４９】
１．ＭＭＷモジュール設計および作製のために低温転写テープ技術（ＬＴＴＴ）多層板の新規な使用。
２．部品数を５分の１に削減することによってＭＭＩＣモジュールアセンブリの単純化。
【００５０】
３．すべての抵抗器およびコンデンサを多層厚膜板内に埋め込むことによって周辺構成部品数を削減すること。
４．電気接続を多層板内に埋め込み、それによってワイアボンドおよびリボンボンドの数を削減すること。
【００５１】
５．組立てを容易にするために平坦モジュール構成を使用し、次いでダイアセンブリの後でＲＦチャネル化を取り付けること。
６．チャネル化、区画化、および接地ビアを介してＲＦ分離を改善すること。
【００５２】
７．マシニングではなく、チャネル化のためにワイアＥＤＭ法を使用することによってハウジングコストを削減すること。
８．ＳＭＡおよびＫコネクタを多層基板に直接取り付けること。
【００５３】
ＭＭＩＣモジュール生産は、組立工程の完全自動化を可能にするようにＭＭＩＣモジュールをパッケージングすることにより、表面実装技術と同様にされる。図３に示すように、モジュールは、ベースプレート６２、層群から形成された多層アルミナ基板５０、チャネル化プレート６４、カバー６６で構成されている。
【００５４】
ベースプレート６２は、本発明の一態様では、厚さ約３．１７５ｍｍ（約１／８インチ）の銅タングステン（ＣｕＷ）など低コストのＣＴＥ一致材料の金めっき済み平板である。プレートはサイズに切断されるだけであり、マシニングは必要としない。
【００５５】
多層基板５０は、当業者に周知であるように、低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ）シートに類似のグリーンテープ技術に類似のものなど、低温転写テープ（ＬＴＴＴ）技術を使用して作製される。ＬＴＴＴ加工は、当業者に周知であるように、十分確立された多層厚膜加工で使用されるステップに密接に従う。１層当たり複数の誘電体印刷がテープ積層ステップで置き換えられる。金導体系も銀導体系もＬＴＴＴと共に使用することができる。相互接続およびビアは、当業者に周知の技法によって形成される。
【００５６】
多層構造を形成するためのＬＴＴＴ工程は多種多様な誘電体材料および基板に応用することができるが、本発明のこの例示されている態様について選択された材料は、標準的な９６％アルミナ基板である。導電性相互接続および層間ビアを形成するために開発された標準的な厚膜機器および加工技法を使用して、特別配合の導体材料をアルミナ基板上でスクリーン印刷する。テープシートは、熱と圧力の組合せを使用して基板に結合される。
【００５７】
図４は、アルミナ板を形成するために使用することができるタイプの層の一例を示す。層の数は、１２層と同数にすることができる。層は、図のように、当業者に周知のタイプのベース基板（Ｓ）上で形成することができる。各層は、厚さ約０．０５０８ｍｍから約０．１０１６ｍｍ（約２から約４ミル）、典型的には厚さ約０．０７６２ｍｍ（約３ミル）であり、低周波ＲＦ信号、ＤＣ信号、接地、またはコンデンサおよび抵抗器など埋込み受動構成部品を担持するために使用することができる。相互接続または接地ビアは、ＬＴＴＴ膜の１つまたは複数の層を跨いで実施することができる。
【００５８】
この多層ＬＴＴＴアルミナ基板は、そのＣＴＥ係数（７．１）のためにＧａＡｓチップと共に使用するのに特に魅力的である。また、この材料は、優れた熱伝導率（２５〜２００Ｗ／ｍＫ）を有する。ＭＭＩＣ ＧａＡｓチップは、金スズはんだプリフォームまたは銀エポキシを使用して基板に直接取り付けることができる。熱問題の場合には、ＣＴＥ一致シムを使用して直接ベースプレートに、あるいは底面に接続される熱ビアの上部に、チップを取り付けてもよい。これらのビアは、当業者に周知の技法によって形成することができる。組立ておよびワイアボンディングを容易にするために、上部層（厚さ０．０７６２ｍｍ（３ミル）から０．１０１６ｍｍ（４ミル））は、正確にチップのサイズにされた切抜きを有することになる（図５参照）。
【００５９】
多層基板は、１層当たりで６．５平方センチメートル（１平方インチ）当たり平均約１．５ドルから２．５ドルである。６．５平方センチメートル（１平方インチ）当たり２７５個までのビアが可能である。
【００６０】
本発明の一態様では、チャネル化プレート６４が金めっきアルミニウムで形成されているが、他の材料を使用することもできよう。チャネル６４ａは、ワイアＥＤＭ法を使用して切り抜く。チャネル６４ａは、送信信号と受信器信号の間で必要とされる分離を提供するために、また低周波信号に対するカットオフを生成するために作成する。ＲＦカバーもまた、金めっきアルミニウムで構成される。
【００６１】
図５は、レギュレータ／制御装置機能を提供するために使用される表面実装回路カードアセンブリ（ＣＣＡ）を含むＭＭＷトランシーバモジュールを示す。ＳＭＡコネクタは、多層基板に直接取り付けられている。ＲＦインターフェース導波路は、チャネル化プレートの一部として設けられている。
【００６２】
図５に示すモジュールは、１つの限定しない例として以下の技法によって組み立てることができる。
１．ＭＭＩＣチップすべてを多層アルミナ基板上に拾い上げて配置する。基板は、すべての低周波信号接続、ＤＣ接続、接地接続、層群およびはんだプリフォーム内にすでに埋め込まれた受動デバイスを有するべきである。
【００６３】
２．ＤＣコネクタと、ＩＦ信号およびＬＯ信号のために使用される低周波ＳＭＡコネクタとを拾い上げて配置する。
３．真空オーブン内ではんだをフローし、ＭＭＩＣダイおよびコネクタを基板に取り付ける。はんだの代わりに銀エポキシを使用してもよい。
【００６４】
４．ＭＭＩＣチップを基板にワイア／ウェッジボンドする。
５．エポキシを使用して基板をベースプレートおよびチャネル化プレートに取り付ける。
【００６５】
６．ＲＦカバーを取り付ける。
７．レギュレータ／制御装置表面実装ＣＣＡを取り付ける。
本出願は、同じ譲受人および発明者によって同日に出願された「ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＭＯＮＯＬＩＴＨＩＣ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＰＡＣＫＡＧＥ」および「ＴＨＩＣＫ ＦＩＬＭ ＭＩＬＬＩＭＥＴＥＲ ＷＡＶＥ ＴＲＡＮＳＣＥＩＶＥＲ ＭＯＤＵＬＥ」という名称の同時係属特許出願に関し、その開示を参照により本明細書に組み込む。
【００６６】
前述の説明および関連図面で提示された教示の利益を受ける当業者なら、本発明の多数の修正形態および他の実施形態に想到するであろう。したがって、開示された特定の実施形態に本発明を制限するべきでないこと、また修正形態および実施形態を従属請求項の範囲内に含むものとすることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュールの概略回路図である。
【図２】
本発明のマイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）パッケージの分解等角投影図である。
図２Ａは、図２に示すＭＭＩＣパッケージの平面図である。
図２Ｂは、図２に示すＭＭＩＣパッケージの側部選択図である。
【図３】
多層厚膜ミリメートル波無線周波数トランシーバモジュールの分解等角投影図であり、カバー、チャネル化セクション、多層厚膜セクション、下部プレートを示す。
【図４】
厚膜セクションの様々な層の分解等角投影図である。
【図５】
トランシーバモジュールの分解等角投影図であり、様々な接続を示す。
Claims (22)
- 少なくとも１つの増幅器を有するマイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）と、
増幅器の動作条件を感知しかつ前記少なくとも１つの増幅器を最適な動作条件に同調するために、前記ＭＭＩＣに動作可能に接続された制御装置と
を備える自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。 - 前記制御装置が、前記ＭＭＩＣに動作可能に接続された表面実装マイクロコントローラチップを備える、請求項１に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記制御装置が、前記少なくとも１つの増幅器について記憶された最適な動作条件の値を有するメモリを備え、それにより、前記制御装置は前記記憶された最適な動作条件の値に基づいて前記少なくとも１つの増幅器を同調する、請求項１に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記メモリがＥＥＰＲＯＭを備える、請求項３に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記記憶された最適な動作条件の値が、無線周波数回路内の様々な段での最適なドレイン電流および予想される増幅器出力を含む記憶された事前設定済みＭＭＩＣ特性の値を備える、請求項３に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記制御装置が、前記少なくとも１つの増幅器による増幅器動作条件の変化を感知するためのセンサをさらに備え、前記制御装置は、増幅器動作条件の感知された変化に基づいて前記少なくとも１つの増幅器を調節する、請求項１に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 増幅器動作条件の感知された変化に基づいて前記少なくとも１つの増幅器内でゲート電圧を段階化するために、前記少なくとも１つの増幅器に動作可能に接続されたデジタル電位差計をさらに備える、請求項６に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 記憶された最適な動作条件の値と比較されるようにセンサ出力をデジタル化するために、前記センサに動作可能に接続された多チャネルのアナログ／デジタル変換器をさらに備える、請求項６に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記ＭＭＩＣの温度を測定する温度センサをさらに備え、前記制御装置は、感知された温度に応答し、増幅器動作条件の変化が、変化した温度または故障の結果によるものであるかどうか判定する、請求項１に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記少なくとも１つの増幅器に動作可能に接続された電力センサダイオードをさらに備え、前記制御装置は、前記電力センサダイオードに応答し、前記少なくとも１つの増幅器を調節する、請求項１に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記制御装置が、少なくとも（ａ）温度全体にわたる利得変動、（ｂ）温度および周波数に応じた電力監視回路の線形化、（ｃ）周波数に応じた利得等化、および（ｄ）周波数および温度に応じた電力減衰線形化のうち１つを補正するために動作する、請求項１に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- それぞれのソース、ドレイン、ゲートをそれぞれ有する複数の増幅器を有するマイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）と、
前記ＭＭＩＣと前記複数の増幅器のそれぞれとに動作可能に接続され、増幅器について記憶された最適な動作条件の値を有するメモリを含み、動作条件を感知しかつ前記記憶された値に基づいて各増幅器を最適な動作条件に同調するように動作する制御装置と
を備える自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。 - 前記制御装置が、前記ＭＭＩＣ内の前記増幅器について増幅器動作条件を感知する少なくとも１つのセンサと、センサ出力をデジタル化する、前記センサに動作可能に接続された多チャネルのアナログ／デジタル変換器と、デジタル化された出力を前記メモリ内に記憶された値と比較し、かつ前記増幅器の同調を制御するために、前記アナログ／デジタル変換器に動作可能に接続されたマイクロプロセッサとをさらに備える、請求項１２に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記制御装置が、前記ＭＭＩＣに動作可能に接続された表面実装マイクロコントローラチップを備える、請求項１２に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記メモリがＥＥＰＲＯＭを備える、請求項１２に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記記憶された最適な動作条件の値が、無線周波数回路内の様々な段での最適なドレイン電流および予想される増幅器出力を含む記憶された事前設定済みＭＭＩＣ特性の値を備える、請求項１２に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記制御装置が、前記増幅器によって引き出された電流の変化を測定するために少なくとも１つのセンサをさらに備え、電流の変化と前記記憶された最適な動作条件の値とに基づいて前記増幅器を調節する、請求項１２に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 各増幅器の感知された動作条件に基づいて前記増幅器内でゲート電圧を段階化するために、前記増幅器に動作可能に接続されたデジタル電位差計をさらに備える、請求項１２に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記制御装置が、記憶された最適な動作条件の値と比較されるように感知された動作条件をデジタル化する多チャネルのアナログ／デジタル変換器をさらに備える、請求項１２に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記ＭＭＩＣの温度を測定する温度センサをさらに備え、前記制御装置は、感知された温度に応答し、増幅器電流の変化が、変化した温度条件または故障の結果によるものであるかどうか判定する、請求項１２に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記少なくとも１つの増幅器に動作可能に接続された電力センサダイオードをさらに備え、前記制御装置は、前記電力センサダイオードに応答し、前記少なくとも１つの増幅器を調節する、請求項１２に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
- 前記制御装置が、少なくとも（ａ）温度全体にわたる利得変動、（ｂ）温度および周波数に応じた電力監視回路の線形化、（ｃ）周波数に応じた利得等化、および（ｄ）周波数および温度に応じた電力減衰線形化のうち１つを補正するために動作する、請求項１２に記載の自己同調型ミリメートル波トランシーバモジュール。
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