JP2006094542A - アンテナ素子を内蔵する半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ素子及び周辺回路群を気密とし且つアンテナ素子が放射する電波の損失を抑えつつも、アンテナ素子と周辺回路群との間の電磁的相互干渉を避けた構造を容易且つ小型に構成することが可能なアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールを提供する。
【解決手段】アンテナ素子５と、その周辺回路群と、アンテナ素子５と周辺回路群を同一面側に形成した基板４と、導電性部材からなる平面部とその周縁部から下方に延在する周辺部とからなり、周縁部より内側の平面部の領域であって、アンテナ素子５と周辺回路群との間の領域に対向する位置に一端面を有し、覆い窓がはめ込み一体された電磁波透過窓２と、電磁波透過窓２の一端面を一端とし、この一端から延在するように形成される電磁遮蔽板１３と、アンテナ素子５及び周辺回路群を基板４との間に気密封止する気密封止部１２とが形成された封止カバー３と、を有して構成される。
【選択図】図７

Description

本発明は、アンテナ素子を内蔵する半導体モジュールに関する。

無線通信には、ミキサー回路及び局部発信回路を有する周波数変換回路、増幅回路、更に、アンテナ素子等の構成要素が必要である。従来からの準ミリ波より低い周波数を用いた無線通信においては、一般にアンテナ素子を除く構成要素を個別にパッケージあるいは筐体に封止して構成される複数のデバイスを用い、これら個別のデバイスの筐体に設けられる外部端子間を接続することにより、無線通信システムのサブシステムが形成されていた。

更に、上記周波数変換回路及び増幅回路をマイクロ波集積回路装置として構成し、これを立体回路である導波管内にアンテナ素子とともに設置し、導波管を通してマイクロ波を伝播させる技術が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

また、それぞれ位相の異なる複数の送受信アンテナを２次元に配置し、位相合成するフェーズドアレーアンテナが知られている。

かかるフェーズドアレーアンテナにおいては、信号処理回路を行うマイクロ波集積回路からアンテナ素子への給電経路としてそれまでの従来例は、ケーブル、コネクタを有し、従って保守の際の取り扱いとケーブル及びコネクタにより特性劣化となる問題があった。更に、アンテナとマイクロ波回路の干渉及びアンテナ素子を２次元に並べた時のアンテナ素子の配置間隔が大きくなるという問題があった。

そして前者のマイクロ波集積回路からアンテナ素子への給電経路における問題に対しては、特許文献３に開示され、図９（１）、図９（２）に示すような構成により解決を図ることが提案されている。

即ち、図９（１）、図９（２）は、特許文献３の図１、図２に対応する図であり、フェーズドアレイアンテナを構成する複数のアンテナのうちの１のアンテナと、これに接続されるマイクロ波回路を構成する図を示している。

図９（１）において、２１はアンテナ、２２はパッケージである。マイクロ波集積回路２３がパッケージ２２に取り付けられている。図９（２）に拡大して示すように、マイクロ波集積回路チップ２３ａを搭載するマイクロ波集積回路２３は接着ハンダ２２ｂでパッケージ２２に溶着されている。

更にマイクロ波集積回路２３には主線路としてのバイアホール２３ｃが設けられ、また裏面電極２３ｅと最短接続して接地を行うバイアホール２３ｄが形成されている。マイクロ波集積回路２３の主線路としてのバイアホール２３ｃを通してマイクロ波集積回路２３の表面の送受信用端子２３ｆをアンテナ２１に接続している。

このような構成により、当該技術以前に問題であったアンテナと送受信用のモジュールを接続するケーブル、コネクタの存在による問題を解決している。

更に、上記アンテナとマイクロ波回路の干渉及びアンテナ素子を２次元に並べた時のアンテナ素子の配置間隔が大きくなるという問題に対する解決技術として特許文献４に記載される技術がある。

図１０（１）、図１０（２）は、特許文献４の図１（ａ）、図１（ｂ）に対応する図であり、図９の例と同様にフェーズドアレイアンテナを構成する複数のアンテナの内の１のアンテナと一体化されるマイクロ波回路を示している。

図１０（１）は、斜視図であり、図１０（２）は、Ｂ−Ｂ線に沿う断面図である。図において、裏面に地導体３２を備えた誘電体基板３１上に構成されたアンテナ素子３３と、誘電体基板３１と地導体３２の一部を共用し、マイクロ波回路が構成された半導体基板３４を備える。更に、アンテナ素子３３とマイクロ波回路を地導体３２に設けた結合孔３５を通して結合させている。

かかる構成では、図９の例と同様にマイクロ波回路とアンテナ素子が誘電体基板の表裏面に対向するように配置されている。したがって、フェーズドアレイアンテナを構成する際に、マイクロ波回路とアンテナ素子は、誘電体基板の表裏面の同じ位置に配置されるので、アンテナ素子を２次元に並べた時のアンテナ素子の配置間隔が大きくなるという問題を解決している。

同時に、アンテナ素子の地導体を介して裏面にマイクロ波回路が構成されるのでアンテナ素子とマイクロ波回路を分離でき、従ってそれらの干渉を防止することが可能である。

一方近年、一般民需用無線機器の普及に伴い、未開発の周波数領域における無線通信は、今後大容量通信における中心的役割を担うものとして期待され、その研究開発が活発化しつつある。

中でもデスクトップパソコンを初めとするパーソナル機器の普及に伴い、ネットワークを構成してデータの相互使用を図ろうとするＬＡＮの構築も盛んである。かかる場合、機器の設置場所、移動の可能性の観点から無線により相互間を接続することが望ましい。

このための無線通信機器は、取り扱いが容易であり、設置場所、設置方法を問われることがないものであることが要件となる。
特公昭５６−１７８４２号公報 特公昭５７−４４２４１号公報 特開昭６３−３１６９０５号公報 特開平６−７７７２９号公報

かかる観点から上記した従来技術を検討すると、第一にアンテナ素子を除く構成要素を個別の筐体に封止して構成される複数のデバイスを用いる場合は、ミリ波、準ミリ波による無線通信には、適用が困難である。

なぜなら、個別の封止筐体に存在する寄生成分が高周波化により顕在化し、制御不能パラメータとなるからである。これにより通信サブシステム、通信システムは、この寄生成分により所望の特性を発揮できない。

また、特許文献１及び、特許文献２に記載される技術では、導波管等の立体回路を要件とするので、無線通信装置の取り付け、可般性において制約がある。

ここで、上記のように取り扱い容易且つ、設置場所、設置方法を問われることがない装置として耐久性、信頼性を維持するには、アンテナ素子を含む全体を封止することが、望ましい。しかし、アンテナ素子からの電波の放射を考慮すると、アンテナの大きさに対し、少なくとも３倍程度の電波放射窓が必要である。

上記公知例はマイクロ波帯での送受信を対象としているので、アンテナ素子自体の寸法は、使用周波数が１０ＧＨｚであると３ｃｍの大きさであり、従って電波放射窓の大きさは、９ｃｍとなり、マイクロ波回路とアンテナ素子を一体化して封止する場合は、装置の大型化につながる。

かかる点から従来例の構成において、アンテナ素子を含む全体を封止する場合は取り扱い容易且つ、設置場所、設置方法を問われることがないという要件を満たすことは困難である。

更に、特許文献３及び、特許文献４に記載される技術では、マイクロ波回路とアンテナ素子が基板の表裏面に対向するように配置されている。マイクロ波回路は、一般的にＧａＡｓ半導体基板に形成され、アンテナ素子はセラミック等の誘電体基板に形成される。そして、これらの基板を張り合わされてマイクロ波回路とアンテナ素子が対向するように配置させている。

かかる場合は、熱伝導の点において問題がある。即ち、アンテナ素子の形成されるセラミック基板の熱伝導率は、銅、タングステンのそれと比較すると１桁以上悪く、従って、マイクロ波回路の形成される半導体素子の放熱において不利である。

従って、本発明は、以上の点に鑑み、アンテナ素子及び周辺回路群を気密とし、且つ、アンテナ素子が放射する電波の損失を抑えつつも、アンテナ素子と周辺回路群との間の電磁的相互干渉を避けた構造を、容易且つ小型に構成することが可能なアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールを提供することを目的とする。

上記本発明の目的を実現するアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールの第１の態様の構成は、アンテナ素子と、該アンテナ素子に接続され、入射又は放射される少なくとも一方の信号を増幅する増幅回路及び前記増幅回路に接続される周波数変換回路を有する周辺回路群と、該アンテナ素子及び該周辺回路群を同一面側に形成した基板と、導電性部材からなる平面部と該平面部の周縁部から下方に延在する周辺部とからなり、前記アンテナ素子に対向する前記周縁部より内側の平面部の領域であって且つ、前記アンテナ素子と前記周辺回路群との間の領域に対向する位置に一端面を有する電磁波透過窓が形成されて非導電性部材からなる覆い板がはめ込み一体化され、前記電磁波透過窓の一端面を一端とし、該一端から一体に、前記アンテナ素子と前記周辺回路群との間の領域と所定の空隙を持って位置する他端に向かって延在して、且つ、前記一端と前記他端との間に延在する一側面に前記覆い板の一側面が位置する電磁遮蔽板が形成され、更に、前記周辺部の下端部に、前記基板に接着され前記アンテナ素子及び前記周辺回路群を前記基板との間に気密封止する気密封止部が形成された封止カバーとを有することを特徴とする。

本発明によれば、アンテナ素子及び周辺回路群を気密とし、且つ、アンテナ素子が放射する電波の損失を抑えつつも、アンテナ素子と周辺回路群との間の電磁的相互干渉を避けた構造を、容易且つ小型に構成することが可能なアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールを提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。尚、図において同一または類似のものには、同一の参照数字または参照記号を付して説明する。

図１は、本発明に従うアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールの一実施の形態を、筐体即ちパッケージの一部を開口して内部を透視して示す概略図である。図１において、１は、銅板等の良導電体材料の基板である。モジュールの大きさとして、例えば基板１の寸法で示すと、２５ｍｍｘ５０ｍｍ、厚さ１ｍｍ程度の大きさである。

３は、その周辺部の気密封止部１２において、基板１と蝋付け、レーザ溶接、電気溶接、あるいはパッキング付きでネジ止めされることにより基板１と接着して気密封止を行う導電体材料の封止カバーである。この封止カバー３は、基板１と同様に良導電体材料が使用される。

封止カバー３には、電磁波透過窓２が形成されている。電磁波透過窓２の部分には、電磁波が透過可能である誘電体材料を用いた覆い板がはめ込み一体化されている。

更に、上記気密封止は、窒素等の不活性ガス雰囲気中で行われ、従って内部に不活性ガスが封入される。これによりモジュール内部の環境が安定し、無線装置としての特性が安定する。

また、図１において、８_１ 、８_２ は、モジュールを他の機器にとり付けるためのネジ貫通穴である。５は、アンテナ素子であり、セラミック等の誘電体基板４上に形成されている。６、７は、それぞれマイクロ波回路、ミリ波又は準ミリ波回路が集積化された半導体集積回路であり、ＧａＡｓ半導体基板に形成される。

図より明らかなように本発明においては、アンテナ素子５及び半導体集積回路６、７は基板１に対し同一面側に設けられている。

これらの詳細を図２により更に説明する。図２は、図１の実施の形態に対応するアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールの上面図（１）と、断面図（２）である。

上面図（１）から理解できるように、電磁波透過窓２に対向して誘電体基板４上にアンテナ素子５が形成されている。アンテナ素子５は、パッチアンテナ、スロットアンテナ等の平面アンテナが用いられる。このように平面アンテナを用いることにより、アンテナ素子が小型化する。したがって、半導体集積回路６、７との一体封止が容易である。

ここでアンテナ素子５をパッチアンテナとして構成する場合の実施例を図３に示す。図３において、誘電体基板４として、厚さ２００〜５００μｍの厚みを有する石英基板を用いる。

４１は地導体であり、数μｍの厚みの金薄膜を誘電体基板４の裏面全面に形成する。５は、アンテナパターンであり、数μｍの厚みの金薄膜で形成される。このアンテナパターン５のパッチサイズは、利用する電波の波長サイズ相当の寸法である。

従って、誘電体基板４の大きさは、アンテナパターン５のパッチサイズの数倍の大きさ以上であるが、アンテナ素子を内蔵する半導体モジュール自身の大きさから当然にその大きさは制限される。

図３において、４２は給電点であり、ストリップ線路４３を通してアンテナパターン５に給電する。ここで、図示のアンテナパターン５単体による電波の放射角は約６０度である。更に、複数のアンテナパターンを用いることにより、より狭い放射角を得ることも可能である。

図２に戻り更に説明すると、半導体集積回路６、７は、アンテナ素子５を形成している誘電体基板４とは、別個の半導体基板に形成されている。半導体集積回路６、７を形成する半導体基板とアンテナ素子５を形成している誘電体基板４とは、基板１に対し、共通の一面側に設けられている。

更に、リード９_１ 、９_２ により半導体集積回路６、７及びアンテナ素子５が電気的に接続されている。

図２において、更にＩＦ信号導入端子１０と、電源導入端子１１が備えられ、ＩＦ信号導入端子１０に入力されるＩＦ信号は、半導体集積回路７に入力される。

また、電源導入端子１１を通して、半導体集積回路６、７にそれぞれバイアス電源が供給される。

図４は、上記図２の実施の形態に対応する等価回路である。入力端子１０に中間周波（ＩＦ）信号が入力される。ＩＦ信号は、ＩＦ増幅器６_１ で増幅される。周波数混合回路７_２ と局部発振回路７_３ により周波数変換回路を構成する。

ＩＦ増幅器６_１ により増幅されたＩＦ信号は、周波数変換回路の周波数混合回路７_２ に入力し、局部発振回路７_３ からの搬送波周波数信号を変調し、その出力が電力増幅器７_１ に導かれる。

電力増幅器７_１ からの高周波信号は、アンテナ素子５を通して放射される。また、電源１１からＩＦ増幅器６_１ 、電力増幅器７_１ にバイアス電圧が供給され、同時に周波数混合回路７_２ 、局部発振回路７_３ にも駆動電圧が供給される。

ここで、ＩＦ増幅器６_１ は、実施例として半導体集積回路６として形成され、電力増幅器７_１ 、周波数混合回路７_２ 及び局部発振回路７_３ は半導体集積回路７として形成される。必要によりそれらの一部を個別半導体素子で構成することも可能である。

尚、図４の等価回路は、図１、図２の半導体モジュールを無線送信機として構成する場合であるが、当然に図１、図２の半導体モジュールを無線受信機として構成できることは言うまでもない。

更に、一個のアンテナ素子５により、周波数帯域が確保できる場合は、図４において、電力増幅器６_１ とアンテナ素子５との間に分波器を配置し、更に図４の送信側回路に対応する受信信号処理回路を同時に内蔵することにより無線送受信機とすることも可能である。

更にまた、複数の電波帯領域を利用する場合は、それぞれの帯域に対応するアンテナを複数個モジュール化することも、本発明の原理にしたがって可能である。

上記のとおり図１、図２の本発明に従う実施例構成は、半導体集積回路６、７等の信号処理回路とアンテナ素子５との間には、導波管が存在しないために安価且つ小型化を実現することが可能である。更に、アンテナ５も一体に気密封止されているために装置の安定化、耐久性が期待できる。

図５は、また別の実施の形態である。図２（２）と比較すると、図２（２）では、半導体集積回路６、７及びアンテナ素子５を独立の基板上に形成しているのに対し、図５の例では、ＧａＡｓ等の同一の半導体基板４０上に形成されている。

無線通信において、アンテナに要求される放射パターンは、用途に応じて多様である。従って、図２の実施の形態ではアンテナと集積回路を別基板にすることにより集積回路の量産が可能であるという利点を有する。

一方、後者の図５の実施の形態の場合は、アンテナと半導体集積回路６、７を同一基板上に配置しているので、チップ間接続が不要である。

これにより構成要素の全てを一貫して製造することが可能であり、製造コストの低減が図れる。同時に回路の電力損失の低減、信頼性の向上が期待できる。

図６は、図１において説明した封止カバー３の別の実施例である。図５と同様の関係の断面図であるが、封止カバー３の内部に収容されるアンテナ素子及び半導体集積回路は図示省略している。

図６に示す封止カバー３の本体は、非導電体であり、電波放射窓３_０ を除き全体に導電体メッキ３_１ が施されている。更に基板１とは導電性接着剤３_２ により接着され気密封止している。導電性接着剤が使用されるので、基板１と同電位になり、封止カバー３の電磁遮蔽効果は、図１において説明した封止カバー３自体を導電体とする場合と同様である。

ここで、アンテナ素子の近傍には、電波の存在が当然であり、従ってアンテナ素子から放出される電波が、共通の空間内に封止された回路に対し電磁干渉を引き起こす可能性がある。反対に、半導体集積回路からの不要な電磁波放射がアンテナの放射パターンを乱す恐れがある。

したがって、図７は、かかる電磁干渉を防止する機能をも備える更に別の実施例である。図７（１）は、図２（２）の断面図に対応し、図７（２）は、図７（１）の矢印Ａの方向から観察した時の断面図である。先の実施例と異なる点は、電磁遮蔽板１３をアンテナ素子５と半導体集積回路７部分との間に設けている点である。

電磁遮蔽板１３は、封止カバー３を電波透過窓２を除き導電体とする時は、この封止カバー３と同一材料で作成され、その上部が封止カバー３と一体に取り付けられる。その下部は、半導体集積回路７の部分の配線及び、チップ間配線９_１、９_２ を避けるだけの空隙を設けるように取り付ける。これにより電磁的相互干渉を避けることが可能である。

図８は、上記した本発明のアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールの適用例である。図において、１００は、天井１０１に取り付けられた本発明のアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールの一つである。

２００〜２０３は、コンピュータであり、それぞれのコンピュータにも本発明のアンテナ素子を内蔵する半導体モジュール１１０〜１１３が取り付けられている。従って、コンピュータ２００〜２０３同士あるいは、天井１０１に取り付けられたアンテナ素子を内蔵する半導体モジュール１００を通して図示しないホストコンピュータとデータの送受をワイヤレスで行うことができる。

本発明に従うアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールの一実施の形態を、筐体の一部を開口して内部を透視して示す概略図である。 図１の実施の形態に対応するアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールの上面図と、断面図である。 アンテナ素子５をパッチアンテナとして構成する場合の実施例を示す図である。 図２の実施の形態に対応する等価回路である。 本発明に従うアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールの別の実施の形態を示す図である。 図１の実施の形態における封止カバーの別の実施例を示す図である。 電磁干渉を防止する機能をも備える、本発明に従うアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールの更に別の実施の形態である。 本発明のアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールの適用例である。 フェーズドアレイアンテナを構成する複数のアンテナのうちの１のアンテナと、これに接続されるマイクロ波回路の従来例を示す図である。 図９の例と同様にフェーズドアレイアンテナを構成する複数のアンテナの内の１のアンテナと一体化されるマイクロ波回路を示す他の従来例である。

符号の説明

１…銅板等の良導電体材料の基板、２…電磁波透過窓、３…封止カバー、４…誘電体基板、５…アンテナ素子、６，７…半導体集積回路、８_１，８_２…モジュール取り付け穴、９_１，９_２…接続リード、１０…ＩＦ信号導入端子、１１…電源導入端子、１２…気密封止部、１３…電磁遮蔽板

Claims (1)

1. アンテナ素子と、
   該アンテナ素子に接続され、入射又は放射される少なくとも一方の信号を増幅する増幅回路及び前記増幅回路に接続される周波数変換回路を有する周辺回路群と、
   該アンテナ素子及び該周辺回路群を同一面側に形成した基板と、
   導電性部材からなる平面部と該平面部の周縁部から下方に延在する周辺部とからなり、前記アンテナ素子に対向する前記周縁部より内側の平面部の領域であって且つ、前記アンテナ素子と前記周辺回路群との間の領域に対向する位置に一端面を有する電磁波透過窓が形成されて非導電性部材からなる覆い板がはめ込み一体化され、前記電磁波透過窓の一端面を一端とし、該一端から一体に、前記アンテナ素子と前記周辺回路群との間の領域と所定の空隙を持って位置する他端に向かって延在して、且つ、前記一端と前記他端との間に延在する一側面に前記覆い板の一側面が位置する電磁遮蔽板が形成され、更に、前記周辺部の下端部に、前記基板に接着され前記アンテナ素子及び前記周辺回路群を前記基板との間に気密封止する気密封止部が形成された封止カバーと、
   を有することを特徴とするアンテナ素子を内蔵する半導体モジュール。

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