JP2005317847A - 高周波回路モジュールおよび無線通信機器 - Google Patents

高周波回路モジュールおよび無線通信機器 Download PDF

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Abstract

【課題】
水晶発振回路の発振特性を維持しつつ小型化に有効な高周波回路モジュールを提供する。
【解決手段】
多層基板２０の表面側に集積回路素子１２と受動部品１４−１〜１４−５を実装し、多層基板２０の内部に水晶発振回路の構成要素となるコンデンサ３０を内装形成し、多層基板２０の裏面側にキャビティ２２を設けて、水晶発振回路の構成要素となる水晶振動子２３を収容し、封止キャップ２８でキャビティ２２内を封止する。この封止キャップ２８は導電性材料で形成され、半田５２を介してマザーボード１００に形成された電極パッドに固定される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、高周波回路モジュールおよび無線通信機器に関し、特に、小型化に有効な高周波回路モジュールおよび無線通信機器に関する。
従来から無線通信機器の小型化を図るべく、無線通信回路のＲＦフロントエンド部やベースバンド部をモジュール化した高周波回路モジュールが検討されている。このような高周波回路モジュールは、ブルートゥースや無線ＬＡＮ等の通信規格に合わせて設計され、携帯電話やＰＣ等のアプリケーション機器に組み込まれた後、これらアプリケーション機器に無線通信機能を与えるモジュールとして機能する。
ここで、この種の高周波回路モジュールの中には、高周波回路と該高周波回路の基準発振器として機能する水晶発振回路を一体化したものが知られており、例えば、下記文献に開示された構造が既に検討されている。
特開平１０−１３５７５６号公報 特開２００２−９２２５号公報 また、水晶発振回路の例としては、下記文献に開示されたものが知られている。 特開平７−９９４１１号公報 特許文献１には、同文献の図１に記載されたように、多層基板に表裏にキャビティを設け、表面側のキャビティ内に水晶振動子とＩＣを配置し、裏面側のキャビティ内に受動部品を配置した構造が開示されている。しかし、この構造では、水晶発振子とＩＣとが同じキャビティ内に収容されるため、実装面積が必要となり、ＩＣのチップサイズに近いモジュールを構成することが困難である。
特許文献２には、同文献の図１に示されたように、多層基板の表面側に水晶発振子と、ベースバンドＩＣと、メモリＩＣとを配置し、裏面側のキャビティ内に高周波ＩＣを配置した構造が開示されている。しかし、この構造でも、水晶発振子と他のＩＣとが同じ面に配置されるため、特許文献１と同様に実装面積が必要になる。
近年、高周波回路ブロックとベースバンド回路ブロックとを集積したシングルチップＩＣが検討されており、また、ＩＣのチップサイズ相当のモジュールが求められている等の諸事情を考慮すると、特許文献１および特許文献２の構造では小型化に限界があった。 一方、水晶発振回路は、特許文献３に記載されたように、水晶振動子と反転増幅器と帰還回路とで構成され、水晶振動子は機械的な封止構造を必要とするとともに、反転増幅器や帰還回路は最短配線で配置することが求められることから、水晶発振回路の特性を満足させつつ小型化に有効なモジュール構造が求められていた。
そこで、本発明は、高周波回路と水晶発振回路を備えた高周波回路モジュールの小型化に有効な手法を提供する。
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、高周波回路と水晶発振回路とが多層基板上で構成された高周波回路モジュールにおいて、前記多層基板の表面側に前記高周波回路の一部を構成するＲＦＩＣが配置され、前記多層基板の裏面側に設けられたキャビティ内に前記水晶発振回路の一部を構成する水晶振動子が配置されたことを特徴とする。
ここで、高周波回路とは、無線通信回路を構成するＲＦフロントエンド部やベースバンド処理部を意味し、この高周波回路の一部を集積したＲＦＩＣが多層基板上に実装される。ＲＦＩＣ内に集積される回路ブロックとしては、ＲＦフロントエンド部のみでもベースバンド部のみでも良いが、これらの両ブロックを１チップ内に集積化したＲＦＩＣを用いることが望ましい。ＲＦフロントエンド部とベースバンド部を別のチップで構成する場合は、ＲＦフロントエンド部を集積したＲＦＩＣとベースバンド部を集積したＢＢＩＣの２チップを多層基板の表面側に併置すれば良い。
また、高周波回路として、ブルートゥース用の回路を構成する場合には、特許文献２の図２に示された回路構成を利用しても良く、無線ＬＡＮ用の回路を構成する場合には、周知の回路構成を利用すれば良い。尚、高周波回路を構成するフィルタ、インダクタ、コンデンサ等の受動要素は、ＲＦＩＣ内に集積しても、多層基板内に内装構成しても、多層基板の表面に部品として実装しても良い。
水晶発振回路は、高周波回路の基準発振器として利用される回路であり、Ｃ−ＭＯＳインバータを備えた発振用半導体と、水晶振動子および発振周波数を決定するコンデンサによって構成される。ここで、水晶発振回路は、水晶振動子の共振作用により所定周波数のクロック信号を生成し、高周波回路に入力する。水晶発振回路の構成は、特許文献３に記載されたものを用いることが可能である。
多層基板は、高周波回路内の配線の一部、水晶発振回路内の配線の一部または高周波回路と水晶発振回路との結線を基板上で実現する要素であり、セラミック製の基板で構成しても樹脂製の基板で構成しても良い。セラミック製の基板で構成する場合には、例えば、低温焼成材料を用いて形成された基板上に銀や銅の導電材料を塗布して配線パターンを形成し、このように形成した基板を複数積層した後、９００°〜１０００°で焼成することで、多層基板を形成することができる。
この多層基板の裏面には、所定形状のキャビティが形成され、このキャビティ内に水晶振動子が収容される。このように、キャビティの壁面が水晶振動子の収容した構造になるため、水晶振動子封止用のパッケージングが不要になり、かつ、水晶振動子をＲＦＩＣと重ねて配置できるため、ＲＦＩＣの面積が大きい場合であっても、チップサイズ相当のモジュールを提供することが可能になる。
また、請求項２記載の発明は、高周波回路と水晶発振回路とが多層基板上で構成された高周波回路モジュールにおいて、前記多層基板の表面側に前記高周波回路の信号処理部と前記水晶発振回路の調整部とを集積したＲＦＩＣが配置され、前記多層基板の裏面側に設けられたキャビティ内に前記水晶発振回路の一部を構成する水晶振動子が配置されたことを特徴とする。
このように、多層基板の表面側に配置したＲＦＩＣ内に水晶発振回路の調整部を集積し、かつ、水晶振動子を多層基板の裏面に設けたキャビティ内に収容することで、ＩＣを用いた水晶発振回路の調整を可能にしつつ、実装面積の低減を図ることが可能になる。
ここで、高周波回路の信号処理部とは、水晶発振回路で生成されたクロック信号を利用して信号処理を行う回路ブロックを意味し、このように、高周波回路の信号処理部を水晶発振回路の一部と集積することで、高周波回路と水晶発振回路との配線が短くなるため、発振特性やノイズ等に優れた回路モジュールが構成できる。より望ましくは、水晶発振回路の反転増幅器も同ＩＣ内に集積しておくことが推奨される。
また、請求項３記載の発明は、高周波回路と水晶発振回路とメモリ回路とが多層基板上で構成された高周波回路モジュールにおいて、前記多層基板の表面側に前記高周波回路の信号処理部と前記水晶発振回路の調整部とを集積したＲＦＩＣが配置され、前記多層基板の裏面側に設けられた第１のキャビティ内に前記水晶発振回路の一部を構成する水晶振動子が配置され、前記多層基板の裏面側に設けられた第２のキャビティ内に前記メモリ回路を構成するメモリ素子が配置されたことを特徴とする。
ここで、メモリ回路は、信号処理用のソフトウェアや各種設定データが格納された記憶領域を構成し、特許文献３の図２に記載されたように、ＥＥＰＲＯＭを用いて構成すれば良い。
このように、水晶振動子を収容するキャビティと、メモリ素子を収容するキャビティとを別々に設けることで、水晶振動子の封止を容易にするとともに、多層基板の裏面領域を有効に活用できるため、最も大きな素子となり得るＲＦＩＣと同等の小型化が期待できる。ＲＦフロントエンド部とベースバンド部の双方を集積したＲＦＩＣは、水晶振動子の封止に必要な面積とＥＥＰＲＯＭの収容に必要な面積よりも大きくなるため、多層基板の表面側にＲＦＩＣを配置し、多層基板の裏面側に水晶振動子とメモリ素子を配置した構成が有効である。
また、請求項４記載の発明は、高周波回路と水晶発振回路とが多層基板上で構成された高周波回路モジュールにおいて、前記水晶発振回路は、水晶振動子と、反転増幅器と、帰還回路を構成する可変コンデンサおよび固定コンデンサとを備え、前記多層基板の表面側に前記反転増幅器および前記可変コンデンサを集積した回路素子が配置され、前記多層基板内に前記固定コンデンサが内装形成され、前記多層基板の裏面側に設けられたキャビティ内に前記水晶振動子が配置されたことを特徴とする。
このように、水晶発振回路の構成要素を多層基板の表面、内層、裏面と分散させることで、より小型化された回路モジュールを実現することが可能になる。即ち、ＩＣとして集積可能な反転増幅器や調整用の可変コンデンサは表面側の集積回路で実現し、大きめの容量が必要な固定コンデンサは多層基板に内装形成し、機械的振動空間と封止が必要な水晶振動子は裏面側に設けたキャビティ内に配置することで、水晶発振回路を最短配線で多層基板上に具現化することが可能になる。
このとき、多層基板の表面側に配置した反転増幅器および可変コンデンサと、多層基板に内装形成した固定コンデンサと、多層基板の裏面側に配置した水晶振動子は、多層基板の厚さ方向に直線的に配置し、最も最短の配線で水晶発振回路を構成することが望ましい。
また、請求項５記載の発明は、高周波回路と水晶発振回路とが多層基板上で構成された高周波回路モジュールにおいて、前記多層基板の表面側に配置され、前記高周波回路の一部を構成するＲＦＩＣと、前記多層基板の裏面側に設けられたキャビティと、前記キャビティ内に配置され、前記水晶発振回路の一部を構成する水晶振動子と、前記多層基板の裏面から露呈した状態で前記キャビティを封止する導電性の封止キャップと、前記封止キャップの露呈面と同一面に露呈させた外部端子とを具備することを特徴とする。
このように、水晶振動子を封止する封止キャップを導電性の材料で形成し、多層基板の裏面から露呈させておくことで、この封止キャップを補強端子として使用することや、グランドパターンとして使用することが可能になり、水晶搭載領域のより有効な活用が図られる。封止キャップの材料としては、ＡｕＳｎ合金を用いることが望ましい。
また、請求項６記載の発明は、高周波回路と水晶発振回路とが多層基板上で構成された高周波回路モジュールをマザーボード上に実装した無線通信機器において、前記多層基板の表面側に配置され、前記高周波回路の一部を構成するＲＦＩＣと、前記多層基板の裏面側に設けられたキャビティと、前記キャビティ内に配置され、前記水晶発振回路の一部を構成する水晶振動子と、前記多層基板の裏面から露呈した状態で前記キャビティを封止する導電性の封止キャップと、前記封止キャップの露呈面と同一面に露呈させた外部端子とを具備し、前記高周波回路モジュールは、前記封止キャップと前記外部端子とを介して前記マザーボード上に実装されるとともに、少なくとも前記外部端子を介して前記マザーボード内と電気的に接続されることを特徴とする。
このように、封止キャップを介して、回路モジュールとマザーボードを接続することで、回路モジュールの実装強度が補填され、また、封止キャップをグランドパターンとして使用すれば、グランドパターンの強化が期待できる。
以上説明したように、本発明によれば、水晶発振回路の特性を満足させつつ、高周波回路モジュールの小型化を図ることができる。
以下、本発明に係る高周波回路モジュールを添付図面を参照して詳細に説明する。尚、本発明は、以下説明する実施形態に限らず適宜変更可能である。
図１は、本発明に係る高周波回路モジュールの構造を示す断面図である。同図に示すように、本回路モジュールは、多層基板２０の表面側に集積回路素子１２と、受動部品１４−１〜１４−５とが実装され、多層基板２０の内層に内装コンデンサ３０が内装形成され、多層基板２０の裏面側にキャビティ２２が設けられ、このキャビティ内に導電性接着剤２６で固定された水晶片２４が設置される。この固定された水晶片２４により水晶振動子２３が構成される。
集積回路素子１２は、高周波回路のＲＦフロントエンド部と、ベースバンド部と、水晶発振回路の調整部とが集積されたフリップチップ型のＩＣであり、複数のバンプを介して多層基板の表面に設けられた図示しない電極パッドに接続される。また、受動部品１４−１〜１４−５は、アンテナ、フィルタ、コンデンサ、インダクタ等の受動部品であり、これら受動部品は、該各部品の壁面に形成された外部電極を介して、多層基板表面に設けられた電極パッドに接続される。
多層基板２０は、複数のセラミック配線基板の積層により形成され、その内部には、内装コンデンサ３０やＧＮＤ電極４０、その他、電源ラインや各種配線パターンが内装形成される。ここで、内装コンデンサ３０は、一のセラミック基板を介して上下に配置されたコンデンサ上部電極３２とコンデンサ下部電極３４とで構成され、水晶発振回路内のコンデンサ素子として機能する。コンデンサ下部電極３４は、ビアホールを介してＧＮＤ電極４０に接続され、これにより、内装コンデンサ３０は接地型のコンデンサとなる。
集積回路素子１２と水晶振動子２３とを接続するビアホールは、コンデンサ上部電極３２を貫通する形で水晶片２４から集積回路素子１２に向けて直線的に形成され、その結果、水晶発振回路が最短配線で構成される。このように、水晶振動子から集積回路までの配線を直線的に形成することで、他配線との並走距離を短縮することができるため、浮遊容量や回路損失の低減が図られ、発振回路特性が安定する。
封止キャップ２８は、多層基板２０の裏面と同一面に収まる形でキャビティ２２の開口部を封止し、多層基板２０の外周に配置された外部端子５０とともに、半田５２を介してマザーボード１００上に設けられた電極パッドに接続される。この封止キャップ２８は、ＡｕＳｎ合金で形成される。
図２は、図１に示した水晶振動子の平面構造を示す拡大底面図である。同図に示すように、水晶片２４は、コンデンサ下部電極３４と平面的に重なる位置に配置され、その一端が開放端となり、他端が導電性接着剤２６を介して接続パターン２５に接続される。接続パターン２５は、キャビティ２２の壁面から突出させた内装パターンで形成され、この接続パターン２５に水晶片２４を固定することにより、片端支持構造の水晶振動子が構成される。
尚、図１に示した集積回路素子１２と接続するためのビアホールは、この接続パターン２５に接続される。また、水晶片２４は、キャビティ２２の壁面から一定の間隔を隔てて設置され、振動可能な状態で固定される。
図３は、図１に示した回路モジュールで実現される無線通信回路の構成を示す回路ブロック図である。同図に示すように、本回路モジュールでは、電波の送受信を行うアンテナＡＮＴと、所定の通信帯域を通過させるバンドパスフィルタＢＰＦと、送信パスＴＸと受信パスＲＸを切り替える高周波スイッチＲＦ−ＳＷと、送信パス上に配置されたパワーアンプＰＡと、ＲＦフロントエンド部を集積したＲＦ−ＩＣと、ベースバンド部を集積したＢＢ−ＩＣと、ＢＢ−ＩＣのクロック信号を生成する水晶振動子ＸＴＡＬと、メモリ素子として機能するＥＥＰＲＯＭとで構成された無線通信回路が具現化される。
図４は、図１に示した回路モジュールで実現される水晶発振回路の構成を示す回路ブロック図である。同図に示すように、水晶発振回路は、反転増幅器６０と抵抗Ｒとで構成された増幅回路と、可変コンデンサＣと固定コンデンサＣ１およびＣ２とで構成された帰還回路と、該帰還回路内に配置された水晶振動子ＸＴＡＬとで構成される。
ここで、水晶発振回路に供給が投入されて、反転増幅器６０に信号が入力されると、該信号に含まれる所定の周波数に水晶振動子ＸＴＡＬが共振した共振信号が生成される。この共振信号は、帰還回路を介して再び反転増幅器６０に入力され、帰還と共振の繰り返しにより、所定周波数の発振信号が生成される。
水晶発振回路の発振周波数は、帰還回路を構成する可変コンデンサＣと固定コンデンサＣ１およびＣ２の合成容量で決定され、可変コンデンサの容量値を調整することで、発振周波数を制御することができる。水晶発振回路の構成および動作については、特許文献３にも詳しく説明されているため、本願明細書では省略する。
本発明に係る水晶発振回路は、図４の符号Ａで示した領域、即ち、反転増幅器６０、可変コンデンサＣおよび抵抗Ｒが図１の集積回路素子１２内に集積形成され、符号Ｂで示した領域、即ち、固定コンデンサＣ１およびＣ２が図１の多層基板２０内に内装形成され、符号Ｃで示した領域、即ち、水晶振動子ＸＴＡＬが図１のキャビティ２２内に形成される。
図５は、本発明に係る高周波回路モジュールの第２の実施形態を示す断面図である。同図に示す回路モジュールは、図１に示した集積回路素子１２と水晶振動子２３に加えて、さらに、多層基板２０の裏面にＥＥＰＲＯＭを搭載した構造を有する。
この回路モジュールでは、多層基板２０の表面側に、アンテナＡＮＴと集積回路素子１２とが実装され、図１では部品として実装したフィルタやインダクタ等の受動素子および図４に示した水晶発振回路の反転増幅器６０と可変コンデンサＣおよび抵抗Ｒは、集積回路素子１２内に集積される。
多層基板２０の内部には、図４に示した水晶発振回路の固定コンデンサＣ１およびＣ２がそれぞれ独立のビアホールに接して形成され、内装グランド電極ＧＮＤを利用して、接地型コンデンサが構成される。固定コンデンサＣ１およびＣ２に接続された各ビアホールは、集積回路素子１２と水晶振動子ＸＴＡＬとの接続ラインとして機能する。
内装グランド電極ＧＮＤの下層には、内装電源電極ＰＷＲが配置され、電源ラインとＧＮＤラインが併走した形で提供される。この内装グランド電極ＧＮＤと内装電源電極ＰＷＲのうち、集積回路素子１２と水晶振動子ＸＴＡＬとを接続する各ビアホールが形成される部分には、所定形状のスリットが設けられ、各ビアホールとの接触が防止される。
多層基板２０の裏面側には、ＥＥＰＲＯＭを収容する第１のキャビティ２２−１と、水晶振動子ＸＴＡＬを収容する第２のキャビティ２２−２が形成され、第２のキャビティには水晶振動子ＸＴＡＬを封止する封止キャップ２８が設けられる。水晶振動子ＸＴＡＬは、図１に示した構造と同様に、水晶片２４を用いて構成される。
本発明によれば、水晶発振回路を備えた高周波回路モジュールの小型化を図ることができるため、より小型化が要求される携帯電話やモバイル機器等の移動体通信機器への適用が期待される。
本発明に係る高周波回路モジュールの構造を示す断面図である。 図１に示した水晶振動子の平面構造を示す拡大底面図である。 図１に示した回路モジュールで実現される無線通信回路の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示した回路モジュールで実現される水晶発振回路の構成を示す回路ブロック図である。 本発明に係る高周波回路モジュールの第２の実施形態を示す断面図である。
符号の説明
１２…集積回路素子、１４…受動部品、２０…多層基板、２２…キャビティ、２３…水晶振動子、２４…水晶片、２５…接続パターン、２６…導電性接着剤、２８…封止キャップ、３０…内装コンデンサ、３２…コンデンサ上部電極、３４…コンデンサ下部電極、４０…ＧＮＤ電極、５０…外部端子、５２…半田、６０…反転増幅器、１００…マザーボード

Claims (6)

  1. 高周波回路と水晶発振回路とが多層基板上で構成された高周波回路モジュールにおいて、
    前記多層基板の表面側に前記高周波回路の一部を構成するＲＦＩＣが配置され、
    前記多層基板の裏面側に設けられたキャビティ内に前記水晶発振回路の一部を構成する水晶振動子が配置されたことを特徴とする高周波回路モジュール。
  2. 高周波回路と水晶発振回路とが多層基板上で構成された高周波回路モジュールにおいて、
    前記多層基板の表面側に前記高周波回路の信号処理部と前記水晶発振回路の調整部とを集積したＲＦＩＣが配置され、
    前記多層基板の裏面側に設けられたキャビティ内に前記水晶発振回路の一部を構成する水晶振動子が配置されたことを特徴とする高周波回路モジュール。
  3. 高周波回路と水晶発振回路とメモリ回路とが多層基板上で構成された高周波回路モジュールにおいて、
    前記多層基板の表面側に前記高周波回路の信号処理部と前記水晶発振回路の調整部とを集積したＲＦＩＣが配置され、
    前記多層基板の裏面側に設けられた第１のキャビティ内に前記水晶発振回路の一部を構成する水晶振動子が配置され、
    前記多層基板の裏面側に設けられた第２のキャビティ内に前記メモリ回路を構成するメモリ素子が配置されたことを特徴とする高周波回路モジュール。
  4. 高周波回路と水晶発振回路とが多層基板上で構成された高周波回路モジュールにおいて、
    前記水晶発振回路は、水晶振動子と、反転増幅器と、帰還回路を構成する可変コンデンサおよび固定コンデンサとを備え、
    前記多層基板の表面側に前記反転増幅器および前記可変コンデンサを集積した回路素子が配置され、
    前記多層基板内に前記固定コンデンサが内装形成され、
    前記多層基板の裏面側に設けられたキャビティ内に前記水晶振動子が配置されたことを特徴とする高周波回路モジュール。
  5. 高周波回路と水晶発振回路とが多層基板上で構成された高周波回路モジュールにおいて、
    前記多層基板の表面側に配置され、前記高周波回路の一部を構成するＲＦＩＣと、
    前記多層基板の裏面側に設けられたキャビティと、
    前記キャビティ内に配置され、前記水晶発振回路の一部を構成する水晶振動子と、
    前記多層基板の裏面から露呈した状態で前記キャビティを封止する導電性の封止キャップと、
    前記封止キャップの露呈面と同一面に露呈させた外部端子と
    を具備することを特徴とする高周波回路モジュール。
  6. 高周波回路と水晶発振回路とが多層基板上で構成された高周波回路モジュールをマザーボード上に実装した無線通信機器において、
    前記多層基板の表面側に配置され、前記高周波回路の一部を構成するＲＦＩＣと、
    前記多層基板の裏面側に設けられたキャビティと、
    前記キャビティ内に配置され、前記水晶発振回路の一部を構成する水晶振動子と、
    前記多層基板の裏面から露呈した状態で前記キャビティを封止する導電性の封止キャップと、
    前記封止キャップの露呈面と同一面に露呈させた外部端子とを具備し、
    前記高周波回路モジュールは、前記封止キャップと前記外部端子とを介して前記マザーボード上に実装されるとともに、少なくとも前記外部端子を介して前記マザーボード内と電気的に接続されることを特徴とする無線通信機器。
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