JP2005044860A

JP2005044860A - モジュール構造

Info

Publication number: JP2005044860A
Application number: JP2003200602A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Sasaki; 順彦佐々木
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】パワーMMIC等を搭載したアンプモジュールなどにおいて、マイクロストリップラインによる伝送線と、このマイクロストリップラインにより構成したＢＰＦとが同一基板に作成された積層回路を用いた、小型・低コストを実現し、かつ放熱構造にも優れたモジュール構造を提供する。
【解決手段】本発明のモジュール構造は、接地された導電性の熱拡散板１と、積層回路基板５０とを有し、積層回路基板は、第１の配線層１２と第１の配線層上に形成された第１の誘電体層７と、第１の誘電体層表面に形成された第２の配線層６と、該第２の配線層上部に形成された第２の誘電体層８と、該第２の誘電体層表面に形成された第３の配線層９とからなり、第３の配線層と接地された第１の配線層とにより分布定数型フィルタが形成され、第３の配線層と接地された第２の配線層とによりマイクロストリップラインが形成されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯，準マイクロ波帯，ミリ波帯の高周波信号を処理する高周波回路が実装された集積回路基板と、ＭＭＩＣ等からの熱を大気に発散させる熱拡散板とからなるモジュール構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話を始めとする各種通信端末などのマイクロ波帯及びミリ波帯をキャリアとした高周波の利用においても、機器や基板、すなわちモジュールの小型化及び薄型化への移行が進んでいる。
したがって、フィルタやＩＣなどの素子を高密度に実装させ、マイクロ波回路を集約したモジュール構造が作成されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、誘電体のセラミック積層基板にストリップラインで形成された、ＳＡＷ素子（弾性表面波デバイス）の温度特性を補償するバンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦ）の構成が記載されている。
また、特許文献２には、筐体樹脂（誘電体材料）を用いて、この筐体樹脂表面に形成された配線と、この配線及び筐体樹脂を用いて構成されたＢＰＦとの構造について記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１１１３１６号公報
【特許文献２】
特開２００１−２１７３７６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の特許文献１のように、ＢＰＦと、ストリップラインとを同一基板において形成する場合、従来においては、上記ＢＰＦが、ストリップライン自体の構造を用いて構成されている。
このため、ＢＰＦとストリップラインとは同一の誘電体層を用いて構成されており、各誘電体層はストリップラインの伝達特性に合わせて電気特性が調整されており、ＢＰＦを作り込むために必要な電気特性に対応したものではなく、任意のフィルタ特性を作成することが困難である。
特許文献１の場合には、フィルタパターンの上下にＧＮＤ（接地）電極が形成された形状をしており、高・低温における温度補償上、特性の異なる２種類が必要となるため、誘電体層の３層を含めて４層基板を用いた構成となっている。
【０００６】
また、特許文献１の構成のように、誘電体層としてセラミック基板を用いた場合、セラミックの微細な加工が困難となり、作成されるモジュールのサイズが大きくなり、コストの面でも高価なものとなる欠点を有しており、セラミック材料の比誘電率及び誘電体損失が十分な値ではなく、ＳＡＷとの組み合わせにおいて、周波数的にも数ＧＨｚ程度の動作性能となり、低いＱ値しか得ることができない。
また、この構成においては、放熱構造が不十分であり、高周波動作により発生した熱の放熱処理が不十分なため、この熱により素子特性が変化する問題を有している。
【０００７】
次に、特許文献２のように、筐体樹脂に配線を形成し、この配線を利用してＢＦＰを構成する構造の場合、筐体樹脂の誘電体としての比誘電率及び誘電体損失が十分な値に管理することができず、モジュールを構成する基板としての電気的特性のばらつきが大きくなり、精度の点からミリ波帯に対応させることが出来ない欠点を有している。
【０００８】
また、配線と、この配線を用いるフィルタを、単層基板で構成した場合、すでに述べたように、ＢＰＦとストリップラインとは同一の誘電体層を用いて構成することとなり、ＢＰＦ特性（Ｑ値）を向上させるために、単層誘電体層を厚くする必要があり、高周波回路に必要なマイクロストリップラインによる配線を同一基板に作成するとモジュールのサイズが大きくなり、回路設計上に難点を生ずる。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、パワーＭＭＩＣ（以下、ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＭｉｃｒｏｗａｖｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等を搭載したアンプモジュールなどにおいて、マイクロストリップラインによる伝送線と、このマイクロストリップラインにより構成したＢＰＦとが同一基板に作成された積層回路を用いた、小型・低コストを実現し、かつ放熱構造にも優れたモジュール構造を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のモジュール構造は、接地された導電性の熱拡散板と、積層回路基板とを有し、前記積層回路基板は、第１の配線層と前記第１の配線層上に形成された第１の誘電体層と、該第１の誘電体層表面に形成された第２の配線層と、該第２の配線層上部に形成された第２の誘電体層と、該第２の誘電体層表面に形成された第３の配線層とからなり、前記第３の配線層と接地された第１の配線層とにより分布定数型フィルタが形成され、第３の配線層と接地された第２の配線層とによりマイクロストリップラインが形成されているこので、第３の配線層と第２の配線層との間の第２の誘電体層の厚さと、第３の配線層と第１の配線層との間の第１及び第２の誘電体層の厚さとを、独立に制御することが可能なため、マイクロストリップラインの伝送特性と、分布定数型フィルタ（例えば、ＢＰＦ）の伝達特性とを別々に制御することができるため、同一積層回路基板にモジュールとして作成した場合において、十分な電気的特性を得ることが可能である。
【００１１】
また、本発明のモジュール構造は、ＢＰＦとマイクロストリップ配線とを同一積層回路基板に形成するので、モジュールを小型化できるだけでなく、工程数が低減でき低コストとなる。
さらに、本発明のモジュール構造は、ワイヤボンディングによる配線接続を行う必要が無く、従来例における寄生インダクタンスによる信号の伝達特性の劣化を抑えることができ、また、チップの接地電極が熱拡散板に密着して接続されているため、チップの接地と放熱手段へ接続の双方が同一処理で行われることにより、実装の工程数が減少し、製造コストを低下させることができ、かつ、チップに対して従来例のような特別な接地手段を必要としなくなるため、モジュールサイズをより小さく製造することができる。
【００１２】
本発明のモジュール構造は、前記第１及び第２の誘電体層が所定の膜厚のポリ４フッ化エチレン樹脂（例えば、テフロン（登録商標）樹脂）により形成されているので、加工が容易であり、ポリ４フッ化エチレン樹脂の比誘電率が低く、誘電体損失が低い特性により、積層回路基板の高周波領域における周波数特性を向上させ、かつ、電力輸送の効率を向上させることが可能なため、ミリ波帯においても対応可能なモジュールを構成することができる。
【００１３】
誘電損失 ∝ ｆ・ｔａｎδ・√ε
ここで、ｆが周波数であり、εが比誘電率であり、ｔａｎδが誘電正接である。この式が示すように、周波数を高くした場合、誘電損失を増加させないために、比誘電率及び誘電正接を低下させる必要のあることが判る。
【００１４】
また、本発明のモジュール構造は、すでに述べた従来例に比較して、誘電体損失が低い特性により、マイクロストリップラインの幅を狭く形成できるため、セラミックを使用した場合に比較してモジュール全体のサイズを小型化でき、かつ筐体樹脂に、直接、配線及びＢＰＦを形成する場合に比較して、電気的特性が安定したフィルタを形成することが可能である。
【００１５】
本発明のモジュール構造は、前記第１の配線層の一部が分離され第４の配線層を形成し、前記第４の配線層と前記熱拡散板との間に絶縁層が形成され、前記第４の配線層を電源線または配線として用いる構成のため、電源線及び配線の配線位置の自由度を向上させることができるため、配線密度を高くすることができ、よりモジュールのサイズを小さくすることが可能である。
【００１６】
本発明のモジュール構造は、前記第４の配線層が、第１及び第２の誘電体層を貫通するスルーホールを介して、前記第３の配線層と接続されているので、電源線及び配線の配線位置の自由度を向上させることができるため、配線密度を高くすることができ、よりモジュールのサイズを小さくすることが可能である。
【００１７】
本発明のモジュール構造は、前記第４の配線層が電源線であり、信号線である第３の配線層と交差しており、この第４の配線層と第３の配線層との間に、接地された前記第２の配線層が設けられているため、第３の配線層の信号による電界の変化をこの第２の配線層が遮蔽するため、この電界の変化に起因するノイズが電源線に対して重畳することを防止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態によるモジュール構造を図面を参照して説明する。図１は、モジュール構造の構成例を説明するための、モジュールの断面を示す概念図である。
本発明のマルチチップモジュール構造は、接地された導電性の熱拡散板１と、分布定数型フィルタ２（例えば、ＢＰＦ）が誘電体層により構成され、ＭＭＩＣが実装されている積層回路基板５０とから構成されている。
【００１９】
ここで、熱拡散板１と積層回路基板５０とが、双方の実装面を対向させて、密着するように重ね合わせられて接合された構造となっている。
上記熱拡散板１は、実装面１ｂ及び底部１ｃ表面が金（Ａｕ）メッキ（例えば５００ｎｍの厚さ）された銅（Ｃｕ、例えば、７００μｍ）であり、電気的に接地電位とされている。
【００２０】
次に、熱拡散板１に接合されている積層回路基板５０（ＭＭＩＣ５３等の素子が実装されている）の構成を説明する。
ポリ４フッ化エチレン樹脂フィルム（以下フィルム）７（誘電体層）と、片面に導体６の層が形成され、他面に導体９が形成されたフィルム８（誘電体層）とは、導体６がフィルム７とフィルム８との間に挟まれる構成となるように接合されている。
また、フィルム７は、片面に導体１２が形成されており、他面には導体が形成されていない。
【００２１】
ここで、フィルム７及び８は、例えば、テフロン（登録商標）樹脂で構成されており、各々３５μｍ〜８０μｍの厚さを有し、比誘電率εが２．６であり、誘電正接ｔａｎδ（誘電体損失を示しており、値が低いと誘電体損失が小さい）が０．００２であるものを使用する。
また、導体６の層は、パターンニング工程及びエッチング工程を経て、回路に対応したパターンに加工されている。
説明のため、以下、積層回路基板５０において、フィルム７の接合面に対して反対の面を、積層回路基板５０の実装面とし、フィルム８の接合面に対して反対の面を、積層回路基板５０の裏面とする。
【００２２】
フィルム７と８との接合された積層回路基板５０において、これらフィルム７及び８に挟まれた導体６と、積層回路基板５０の実装面及び裏面に形成される導体１２，９各々の配線パターンとを電気的に接続するため、導体６に達するスルホール２０，２１がそれぞれフィルム７及び８に、エッチング等の加工処理により形成されている。
例えば、導体６，９，１２が、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕの複数の導体の積層により構成され、各層の厚さが９μｍ／３μｍ／０．５μｍで形成されている。
【００２３】
また、スルホール２０及び２１が直径２５０μｍで形成され、このスルホール２０，２１各々には、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ等の複数の積層された導体１０，１１がそれぞれ充填されている。
積層回路基板５０（フィルム７面）実装面に導体１２の層が形成され、積層回路基板５０（フィルム８面）裏面に導体９が形成され、導体９及び１２はともに、パターンニング工程及びエッチング工程を経て、回路に対応した配線パターンに加工されている。
【００２４】
導体１２と導体１０と導体６とは、熱処理等により電気的に接続されており、同様に、導体９と導体１１と導体６とは熱処理等により電気的に接続されており、積層回路基板５０の実装面の導体１２と裏面の導体９とは、上記スルホール２０，２１に充填された各導体を介して電気的に接続されている。
また、分布定数型フィルタ２は、配線パターン９ａが導体９により形成されており、この導体９により直接にマイクロストリップライン５１の配線パターンと電気的に接続されている。
ここで、マイクロストリップライン５１は、導体９のパターンニングされた配線パターン直下に、フィルム８を介して、この配線パターンと対向して同様のパターンとして形成されている導体６（接地されている）とで構成されている。
【００２５】
分布定数型フィルタ２は、導体９と導体１２とを電極として、また、フィルム７及び８の間の導体６は除去され、フィルム７及び８を誘電体として構成されいる。
すなわち、分布定数型フィルタ２の伝達特性は、配線パターン９ａと、フィルム７及び８の合計の厚さにより決定される。
また、マイクロストリップライン５１は、導体９を配線パターンとし、導体６接地電位の電極として、導体９と導体６との配線パターン双方がフィルム８を介挿して対向して構成されている。
ここで、マイクロストリップライン５１の伝達特性は、導体９による配線パターンの幅と、フィルム８の厚さとにより決定される。
【００２６】
上述したように、分布定数フィルタ２及びマイクロストリップラインの電気特性は、フィルム７とフィルム８との厚さを各々独立して制御することにより、任意に制御することができる。
すなわち、マイクロストリップラインの電気特性に対応させて、フィルム８の厚さを決定し、次に、分布定数型フィルタ２の電気特性に対応させ、フィルム８の厚さを考慮し、フィルム７の厚さを調整することで、分布定数フィルタ２及びマイクロストリップラインの電気特性を独立に制御することができる。
【００２７】
フィルムの厚さの一例として図２のテーブルを用いて説明する。図２のテーブルは、実験により求めた、ＢＰＦ（分布定数型フィルタ）特性，及びＭＳＬ（マイクロストリップライン）特性と、誘電体層の厚さとの関係を示してある。ここで、Ｈは誘電体層の厚さを示しており、単位が「μｍ」であり、例えば、ＭＳＬに対してはフィルム８の厚さであり、ＢＰＦに対してはフィルム７，８の合計の厚さを示している。
ここでのフィルムの電気的特性は、比誘電率εが２．６であり、誘電正接ｔａｎδが０．００２であるものを使用する。
【００２８】
ＭＳＬ特性に関しては、誘電体層の厚さＨの下限としては、Ｈ≦２０μｍである場合、マイクロストリップラインのパターン幅Ｗは４３．３μｍとなり、パターン幅の削減が可能であるが、挿入損失が０．８５［ｄＢ］となり電送する電力の損失が大きすぎるため、誘電体層（フィルム８）の厚さとしては、厚さとして５％の製造誤差を考慮するとＨ＞２０μｍが望ましい。
【００２９】
また、ＭＳＬ特性における誘電体層の厚さＨの上限としては、Ｈ≧８０μｍである場合、Ｗ＞２００μｍとなり、配線パターン幅か太くなりすぎて、モジュールサイズが大型化し小型化する目的を達成できなくなるため、挿入損失が０．４１［ｄＢ］より劣化しない数値として、フィルム８の厚さとしては、Ｈ≦７０μｍが望ましい。
上述の結果から、ＭＳＬ特性に対しては、上記電気特性のフィルムを用いた場合、誘電体層（フィルム８）の厚さＨは、２０μｍ＜Ｈ≦７０μｍであることが判る。
【００３０】
次に、ＢＰＦ特性に関しては、誘電体層（フィルム７，８）の厚さＨの下限としては、Ｈ≦９０μｍである場合、通過域ΔＦ（ＧＨｚ）が０．５ＧＨｚ未満となり、ＢＰＦとして使用許容の範囲とならないため、誘電体層の厚さとしては、Ｈ≧９５μｍが望ましい。
ここで、通過域ΔＦの特性としては、挿入損失≦３［ｄＢ］であり、リップル≦０．５［ｄＢ］である条件を満足する場合を示している。
【００３１】
また、ＢＰＦ特性における誘電体層の厚さＨの上限としては、Ｈ≧１５０μｍである場合、リジェクションロス（阻止特性）ＲＬが２［ｄＢ］未満となり、十分な阻止特性とならないため、誘電体層（フィルム７，８）の厚さとしては、Ｈ＜１５０μｍが望ましい。
上述の結果から、ＢＰＦ特性に対しては、上記電気特性のフィルムを用いた場合、誘電体層（フィルム７，８）の厚さＨは、９５μｍ≦Ｈ＜１５０μｍであることが判る。
【００３２】
次に、素子５３は、ＭＭＩＣ等であり、例えば、サイドカップル型Ｕ字共振器ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）とすると、アルミナ等の厚さ２５０μｍの絶縁体の表面に、配線パターンが形成されており、この絶縁体の裏面に接地電極５２ｃが形成され、熱拡散板１の実装面１ｂに電気的に接続されている。
【００３３】
素子５２の配線パターン及び接地電極５２ｃは、例えば、Ｔｉ（チタン）／Ｎｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）の積層構造で形成されており、例えば各層の厚さ５０ｎｍ／２μｍ／５０ｎｍ／２５０ｎｍで形成されている。
熱拡散板１の実装面１ｂと、素子５２の接地電極５２ｃ及び導体１２とは、図示しないＡｇ（銀）ペーストを介して、電気的に接続されている。
ここで、上記Ａｇペーストを用いた場合、接合条件としては、Ｎ２雰囲気のオーブン焼成において、１５０℃に過熱した状態で３０分の間、１５０ｇ／ｃｍ^２の圧力を印加して加圧処理を行う。
また、素子５２の配線パターンとマイクロストリップラインの配線とは、ワイヤーボンディングで電気的に接続されている。
ここで、上記ワイヤーは、金，銅，アルミニウム等が材料として用いられる。
【００３４】
積層回路基板５０の実装面は熱拡散板１の実装面に接続されて、導体１２がモジュールの接地点に電気的に接続され、接地電位となる。
しかしながら、導体１２の一部を分離させて、この分離させた部分を配線パターンまたは電源線５２として用いる場合、導体１２をパターンニングした後、積層回路基板５０と熱拡散板１とを接合させ、モジュール構造としたときに、この配線パターンが熱拡散板１と電気的に絶縁される必要があるため、導体１２による配線パターンまたは電源線５２と、熱拡散板１との間に絶縁層１３（例えば、ソルダーレジスト）が形成されている。
ここで、導体６及び導体９も電源線としてパターニングされており、また、導体１２を全て除去して電源線を構成しても良い。
【００３５】
このため、本発明のモジュール構造は、分布定数型フィルタ２を積層回路基板５０に作り込んだため、従来のようにワイヤーボンディングにより、分布定数型フィルタ２と積層回路基板５０のマイクロストリップラインの配線パターンとを接続する従来の場合に比較して、電気的接続におけるリアクタンス成分を削減することができ、フィルタの高周波特性が向上することになる。
【００３６】
また、本発明のマルチチップモジュール構造は、積層回路基板５０に実装された素子５２の接地電極５２ｃが熱拡散板１に密着して接続され、かつ分布定数型フィルタ２が熱拡散板１に熱的に接続されているため、十分な放熱が可能であり、放熱のためにヒートシンク等の余分な部品が必要なく、モジュールを小型化することが出来るとともに、実装の工程数を減少させ、製造コストを低減させることができる。
【００３７】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のモジュール構造によれば、第３の配線層と第２の配線層との間の第２の誘電体層の厚さと、第３の配線層と第１の配線層との間の第１及び第２の誘電体層の厚さとを、独立に制御することが可能なため、マイクロストリップラインの伝送特性と、分布定数型フィルタの伝達特性とを別々に制御することができるため、同一積層回路基板にモジュールとして作成した場合において、十分な電気的特性を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明のモジュール構造の一例を示す断面の概念図である。
【図２】上記モジュール構造において、積層回路基板５０の誘電体層を用いて作成した分布定数型フィルタの電気的特性を示すテーブルである。
【符号の説明】
１熱拡散板１ｂ実装面
２分布定数型フィルタ１３絶縁体
６，９，１０，１１，１２導体９ａ配線パターン
７，８フィルム
２０，２１スルホール５０積層回路基板
５１マイクロストリップライン５２電源線（または信号線）
５３素子（ＭＭＩＣ）５２ｃ接地電極

Claims

接地された導電性の熱拡散板と、
積層回路基板とを有し、
前記積層回路基板は、
第１の配線層と前記第１の配線層上に形成された第１の誘電体層と、
該第１の誘電体層表面に形成された第２の配線層と、
該第２の配線層上部に形成された第２の誘電体層と、
該第２の誘電体層表面に形成された第３の配線層とからなり、
前記第３の配線層と接地された第１の配線層とにより分布定数型フィルタが形成され、第３の配線層と接地された第２の配線層とによりマイクロストリップラインが形成されていることを特徴とするモジュール構造。
前記第１及び第２の誘電体層が所定の膜厚のポリ４フッ化エチレン樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１記載のモジュール構造。
前記第１の配線層の一部が分離され第４の配線層を形成し、前記第４の配線層と前記熱拡散板との間に絶縁層が形成され、前記第４の配線層を電源線または配線として用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモジュール構造。
前記第４の配線層が、第１及び第２の誘電体層を貫通するスルーホールを介して、前記第３の配線層と接続されていることを特徴とする請求項３記載のモジュール構造。
前記第４の配線層が電源線であり、信号線である第３の配線層と交差しており、この第４の配線層と第３の配線層との間に、接地された前記第２の配線層が設けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のモジュール構造。