JP2008131166A - アンテナモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 信号経路およびアンテナから放射される電磁波の相互作用を抑制するとともに、アンテナ基板の接続端子とプリント配線基板の接続端子との接続信頼性を向上させた小型のアンテナモジュールを提供する。
【解決手段】 本発明は、アンテナ基板３の上面に形成されて半導体素子８に接続され、貫通孔１０の内側に露出している接続端子と、プリント配線基板２の上面の貫通孔１０の近傍に形成されて伝送線路が接続された接続端子とが金属製のワイヤまたはリボンからなる電気的接続手段６で接続されており、アンテナ基板３の内部に上面視でアンテナ素子４と半導体素子８と電気的接続手段６とが内側に位置するようにシールド用導体層１２が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、３０ＧＨｚ以上のミリ波帯の高周波信号を送受信し、その信号を処理する高周波回路を含むアンテナモジュールに関するものである。

昨今、マイクロ波は携帯電話に代表されるように無線機器用搬送波として一般社会に利用されてきており、ブルートゥースや無線ＬＡＮ（Local Area Network）などデータ通信の手段としても用いられている。

しかしながら、一般にマイクロ波領域では通信向けに割り当てられている周波数領域が狭いため、マイクロ波を用いる無線通信では情報伝送速度が遅く、映像や動画などの大容量のデータ伝送ができないという問題がある。また、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）のように割り当て周波数領域が広くても、送信電力に制限があり長距離の信号伝送に用いることができないため、今後の大容量通信の可能性が限られている。

そこで、より高い周波数帯である３０ＧＨｚ以上のミリ波領域が超高速無線通信用として以前より注目されており、その研究開発が進められている。特に６０ＧＨｚ帯は広い帯域が世界共通で割り当てられており、大容量高速通信手段として現在実用化され、例えば光ファイバーに代わってビル間などの事業所間通信用途などとして普及しつつある。

一方、通信業界以外では、７７ＧＨｚ帯が車間レーダー用の周波数として世界的に承認されており、レーダーの研究開発がこれまで盛んに進められている。特にヨーロッパを中心に一般乗用車に搭載され世間に広まりつつあり、近年では前方用レーダーだけでなく後方用レーダーも乗用車に搭載され、今後はさらに広く普及し乗用車１台に複数のレーダーが搭載されると考えられている。その他、軍事用途や衛星通信用途としてもミリ波は活用されており、今後さらにミリ波市場は拡大していくものと思われる。

ここで、無線通信あるいはレーダーには信号を空間に放射あるいは空間より受信するためにアンテナが必要であり、従来、ミリ波用途には安定して優れた特性をもたらすホーンアンテナが用いられてきた。また、高利得が求められるときにはホーンアンテナを一次放射器としたパラボラアンテナやカセグレンアンテナが用いられてきた。しかし、これらのアンテナは損失が小さく広い帯域が得られ特性が優れるものの、体積が大きくコンパクトな送受信モジュールを作るには問題があった。また、量産性にも難点があった。

そこで近年では、パッチアンテナやスロットアンテナに代表される平面アンテナが広く用いられつつある。平面アンテナはホーンアンテナ等と異なり、体積が小さく薄いため、車載レーダーなどのようにフロントグリルやバンパーなどの限られた領域に設置する際に好適に用いられている。また、平面アンテナは製造にプリント配線基板やセラミック多層配線基板の製造技術を用いることができるため、量産性に優れ製造コストを抑制可能である。

このような平面アンテナを含む装置として、アンテナ基板の一方主面に高周波回路部（半導体素子）が設けられ他方主面にアンテナ素子が設けられたアンテナ一体型高周波パッケージを、マザーボードに設けた孔により形成された空間にアンテナ素子が収容されるように、アンテナ一体型高周波パッケージの外部電極をマザーボードの孔の周囲の配線パターンに半田付けした高周波回路装置が提案されている（特許文献１を参照。）。
特開２０００−３０７３２２号公報

しかしながら、上記の高周波回路装置では、アンテナ素子がマザーボードの孔に収容される構成であるため、アンテナ素子から放射される電磁波がマザーボードの孔の側面部で反射され、アンテナ素子から放射された電磁波の放射パターンが崩れてしまうという問題があった。また、マザーボード側面がアンテナ素子に近いために、アンテナ素子から放射された電磁波の一部がマザーボードの内部に伝播しやすく、マザーボード内でノイズが発生してＳ／Ｎ比が低下し、結果的に回路の誤動作を引き起こすという問題があった。さらに、マザーボード内の電磁波の一部が側面から放射され不要電磁波として作用し、アンテナ素子から放射された電磁波の放射パターンを変形させるという問題があった。

一方、アンテナ一体型高周波用パッケージとマザーボードとの間の信号の伝達が半田を経由して行なわれるため、半田から放射される電磁波がアンテナ素子から放射された電磁波の放射パターンに悪影響を与えたり、アンテナから放射される電磁波の影響を半田が受けてノイズが入ってしまうという問題もあった。さらに、アンテナ基板とプリント配線基板との熱膨張係数差による熱応力や車載レーダーとして使用した場合の振動や衝撃によって半田接合部が破壊し、電気的接合が分断されてシステムとして機能しなくなるという信頼性の問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、信号経路およびアンテナから放射される電磁波の相互作用を抑制するとともに、アンテナ基板の接続端子とプリント配線基板の接続端子との接続信頼性を向上させた小型のアンテナモジュールを提供することを目的とする。

本発明は、上面に半導体素子を実装し下面に前記半導体素子に接続されたアンテナ素子を露出または埋没させて設けてなるアンテナ基板の上面が、貫通孔を有するプリント配線基板の下面の前記貫通孔の周囲に取着され、前記貫通孔に前記半導体素子が収容されたアンテナモジュールであって、前記アンテナ基板の上面に形成されて前記半導体素子に接続され、前記貫通孔の内側に露出している接続端子と、前記プリント配線基板の上面の前記貫通孔の近傍に形成されて伝送線路が接続された接続端子とが金属製のワイヤまたはリボンからなる電気的接続手段で接続されており、前記アンテナ基板の内部に上面視で前記アンテナ素子と前記半導体素子と前記電気的接続手段とが内側に位置するようにシールド用導体層が形成されていることを特徴とするアンテナモジュールである。

また本発明は、前記アンテナモジュールにおいて、前記プリント配線基板の下面または内部に、上面視で前記シールド用導体層の周縁部と重なるようにグランド用導体層が形成されていることを特徴とするものである。

さらに本発明は、前記アンテナモジュールにおいて、前記アンテナ基板の上面が、複数の半田接合部および該複数の半田接合部の周囲に設けられた樹脂接着部によって前記プリント配線基板の前記貫通孔の周囲に取着されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、シールド用導体層でアンテナ素子と半導体素子および電気的接続手段とが遮断されているので、信号経路およびアンテナから放射される電磁波の相互作用を抑制することができる。また、金属製のワイヤまたはリボンからなる電気的接続手段による信号経路を用いており、アンテナ基板がプリント配線基板に取着された取着部がアンテナ素子から放射またはアンテナ素子で受信される信号の信号経路となっていないので、この部分に熱応力や衝撃力が加わったとしても接続信頼性が低下することはない。

本発明のアンテナモジュールの一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明のアンテナモジュールの実施の形態の一例の断面図であって、図１に示すアンテナモジュール１は、上面に半導体素子８を実装し、下面に半導体素子８に接続されたアンテナ素子４を露出または埋没させて設けてなるアンテナ基板３の上面が、貫通孔１０を有するプリント配線基板２の下面の貫通孔１０の周囲に取着され、貫通孔１０に半導体素子８が収容された構成になっている。

アンテナ基板３は、誘電体層と導体層とを含む構成からなる。誘電体層としては、一般的にアルミナや窒化アルミニウム、マグネシアなどを主成分としたセラミックスや低温焼成セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等からなる有機多層基板等が用いられるが、特に限定はされない。ただし、高周波では伝送線路における損失が大きく、その損失を抑えるために導体層の抵抗を低くすることが求められることから、銅や銀導体を用いることができる低温焼成セラミックスや有機多層基板が好ましい。特に、誘電損失が低い低温焼成セラミックスが好ましい。

アンテナ基板３の上面に実装される半導体素子８としては、図１に示すような半導体素子８が２個設けられた場合には、例えば増幅器やミキサー、逓倍器、カップラーを含んだトランシーバーとしての半導体素子と電圧制御型発振器（ＶＣＯ）としての半導体素子との組み合わせが挙げられる。なお、半導体素子８としては、増幅器や発振器、フィルター、変復調器、信号処理素子、逓倍器などが挙げられ、その種類および数に限定はない。また、半導体素子８は金属などからなるキャップ（図示せず）で覆われていてもよい。このキャップにより、半導体素子８は外部から侵入するゴミなどから防御され、かつ外部からの湿気の浸入が防がれる。また、例えば高さを調整するなどにより、キャップ内部での半導体素子８による共振を抑制するような設計がなされてもよく、キャップを高くしてその内側に電波吸収体を装着してもよい。

アンテナ素子４としては、平面アンテナが採用される。具体的には、図１に示す形態では、平面アンテナのうちマイクロストリップアンテナが採用されている。ここで、アンテナ素子４はアンテナ基板３の下面から露出しているが、埋没させた構成であってもよい。例えば、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの誘電体層でアンテナ素子４が覆われていてもよい。なお、平面アンテナとしてはマイクロストリップアンテナに限らず、スロットアンテナや積層型導波管の開口部を配置した構成などを採用してもよい。また、図１に示す形態では、アンテナ素子４が５つ配置されているが、この数も特に限定されない。

また、プリント配線基板２の材料としては有機多層基板が一般的であるが、特に材料を限定するものでは無く、無機材料基板でもよい。しかし、製造コストの点から考えればＦＲ−４やＦＲ−５などの安価な有機基板が好ましい。

そして、アンテナ基板３の上面は、貫通孔１０を有するプリント配線基板２の下面の貫通孔１０の周囲に取着されている。取着の手段としては、樹脂接着剤や導電性接着剤による接着、ネジ止め等が挙げられるが、図１においては半田５および樹脂接着剤１１が用いられている。すなわち、複数の半田接合部および複数の半田接合部の周囲に設けられた樹脂接着部によって、アンテナ基板３がプリント配線基板２の貫通孔１０の周囲に取着されている。アンテナ基板３がプリント配線基板２の貫通孔１０の周囲に取着されていることで、貫通孔１０に半導体素子８が収容された構成となり、小型化・低背化を図ることができる。

ここで、半田５の使用はプリント配線基板２とアンテナ基板３の位置あわせを容易かつ高精度で行なうことを可能にする。つまり、プリント配線基板２の接続パッド（図示せず）とアンテナ基板３の接続パッド（図示せず）との間に半田ボール（半田５）を配置し、リフロー工程でこれらを接合することで、互いの位置がわずかにずれていたとしても、リフロー中に半田５は表面エネルギーが小さくなるように変形してプリント配線基板２とアンテナ基板３の相互位置を変化させる。したがって、精度よく位置合わせを行なうことができる。なお、半田５は球状である必要は無く、円柱状でも特に差し支えは無い。

アンテナ素子４から放射された電磁波の一部がプリント配線基板２で反射され、アンテナ素子４から放射された電磁波の放射パターンに影響を与えるが、プリント配線基板２とアンテナ基板３の位置関係がばらつくとそのプリント配線基板２から放射パターンへの影響度が変化し、結果的にアンテナモジュール間（製品毎）で放射パターンが安定しなくなる。これに対し、この構成では精度よく位置合わせを行なうことができるので、アンテナモジュール間（製品毎）の位置バラツキは小さくなり、アンテナモジュール間（製品毎）で安定した放射パターンが得られる。

また、半田接合部の周囲に設けられた樹脂接着部に用いられる樹脂接着剤１１は、例えばアクリル樹脂接着剤、エポキシ樹脂接着剤、ケイ素樹脂接着剤、ポリアミド樹脂接着剤からなるが、これらの樹脂はヤング率が低いので、例えばアンテナ基板３とプリント配線基板２との熱膨張係数差からアンテナ基板３が反るような状況になったとしても、この樹脂接着部が応力を緩和してアンテナ基板３の反りを低減してくれる。したがって、良好な放射パターンが安定して得られる。なお、樹脂接着剤には無機フィラーを含ませて適宜粘度を調整してもよい。

図２は図１に示すアンテナ基板３の上面に半田５が配置された状態を示す上面図であって、アンテナ基板３の周縁部に半田５が２列に配置された構成を示している。ここで、半田５の間隔Lはアンテナが放射する信号の樹脂接着剤１１中での波長をλとするとλ／２未満であることが好ましい。これにより不要電磁波が樹脂接着剤１１中を通過するのを抑制することができる。

また、半田５のヤング率に対する半田５とアンテナ基板３との接合強度の比、または、半田５のヤング率に対する半田５とプリント配線基板２との接合強度の比が、樹脂接着剤１１のヤング率に対する樹脂接着剤１１とアンテナ基板３との接合強度の比、および、樹脂接着剤１１のヤング率に対する樹脂接着剤１１とプリント配線基板２との接合強度の比よりも大きいことが好ましい。さらに、半田５のヤング率に対する半田５の引っ張り強度の比が、樹脂接着剤１１のヤング率に対する樹脂接着剤１１とアンテナ基板３との接合強度の比、および、樹脂接着剤１１のヤング率に対する樹脂接着剤１１とプリント配線基板２との接合強度の比よりも大きいことが好ましい。

これにより、プリント配線基板２とアンテナ基板３の熱膨張係数差や衝撃で、アンテナ基板３の過度な反りが発生した際に、半田５あるいは半田５と基板２，３との接合部が破壊して樹脂接着剤１１だけによる基板接続となり、アンテナ基板３の反りが低減され、安定した放射パターンが得られる。なお接合強度の比較は、同一接合面積で接着したときの比較である。また半田引っ張り強度と接合強度との比較は、比較する接合部の接合面積と同じ断面積を有し、プリント配線基板２とアンテナ基板３との間の距離と同じ高さをもつ半田柱の強度と接合部の強度とを比較するものである。なお、これらの強度は時間の経過によって変化するものであり、経時していない製造直後の強度比較だけでなく、実際の使用環境下で一定時間を経過した後の強度比較でもよい。

次に、図３は図１に示すアンテナモジュールの要部概略上面図であって、図３に示すように、アンテナ基板３の上面におけるプリント配線基板２の下面に取着されていない領域、すなわち貫通孔１０の内側に露出しているアンテナ基板３の上面（アンテナ基板３の上面におけるプリント配線基板２の貫通孔１０の内側に露出している領域）には、伝送線路を介して半導体素子８に接続された接続端子９１が形成されている。

一方、プリント配線基板２の上面の貫通孔１０の近傍には伝送線路が接続された接続端子９２が形成されている。

そして、アンテナ基板３上の接続端子９１とプリント配線基板２上の接続端子９２とが、金属製のワイヤまたはリボンからなる電気的接続手段６で接続されている。この電気的接続手段６が、アンテナ素子４から放射またはアンテナ素子４で受信される信号の信号経路となる。アンテナ基板３がプリント配線基板２に取着された取着部（本例では半田５）がアンテナ素子４から放射またはアンテナ素子４で受信される信号の信号経路となっておらず、この部分に熱応力や衝撃力が加わってクラックが生じたとしても信号の伝達には影響しないので、接続信頼性を向上させることができる。なお、電気的接続手段６を通過する信号とは、半導体素子８で高周波信号（アンテナ素子４でやり取りする信号）をデジタル信号まで変換する場合にはデジタル信号であり、半導体素子８で周波数変換しない場合には高周波信号であり、半導体素子８で高周波信号（アンテナ素子４でやり取りする信号）を中間周波数まで落とす場合には中間周波信号である。

このように、アンテナ基板３上の接続端子９１とプリント配線基板２上の接続端子９２とが金属製のワイヤまたはリボンからなる電気的接続手段６で接続されて信号経路が形成されていることで、高い信頼性を維持することができる。

つまり、半田５部分が信号経路となっている場合には、アンテナ基板３とプリント配線基板２との熱膨張係数差から、温度サイクルで半田５や半田５と基板２，３との接合部に応力がかかり、半田破壊や接合面破壊が発生する。また衝撃に対しても同様に弱く、温度面や衝撃面で厳しい環境で用いられる車載レーダーなどでは高信頼性が得られない。これに対し、プリント配線基板２に形成した貫通孔１０を介して行なう電気的接続手段６による接続は、プリント配線基板２の上面とアンテナ基板３の上面との高低差から十分な長さの電気的接続手段６を用いた接合となるため、そのたわみにより衝撃や応力を緩和でき、結果的に信頼性の高い電気的接続が得られる。

そして、アンテナ基板３の内部には、上面視でアンテナ素子４と半導体素子８と電気的接続手段６とが内側に位置するように、シールド用導体層１２が形成されている。このシールド用導体層１２は、アンテナ素子４から放射される電磁波がアンテナ基板３の内部を通り半導体素子８や電気的接続手段６等に伝播するのを防いでいて、このように上面視でアンテナ素子４と半導体素子８と電気的接続手段６とが内側に位置するような領域まで形成されていることが重要である。なお、シールド用導体層１２は伝送線路が通過するための切欠きがあってもよい。ここで、切欠きの径（対角線）がλ／２未満であるのが好ましい。また、表面に露出する導体層にスロットを形成してなるスロットアンテナの場合は、その導体層がアンテナ素子４から放射された電磁波を半導体素子８が実装された上面側へ伝播するのを抑制するとともに、半導体素子８やアンテナ基板３の伝送線路および電気的接続手段６から放射される不要電磁波のアンテナ素子４から放射された電磁波の放射パターンへの悪影響を抑制する効果もある。

このように、アンテナ基板３上の接続端子９１とプリント配線基板２上の接続端子９２とが金属製のワイヤまたはリボンからなる電気的接続手段６で接続されて信号経路が形成され、アンテナ基板３の内部に上面視でアンテナ素子４と半導体素子８と電気的接続手段６とが内側に位置するようにシールド用導体層１２が形成されていることで、アンテナ素子４から放射される電磁波が信号経路としての電気的接続手段６に影響を及ぼさないようになっている。仮に、シールド用導体層１２の外側を回り込んだとしても、電気的接続手段６が空気中に存在することから、その影響を受けることは極めて少ない。これは、樹脂接着剤１１、プリント配線基板１およびアンテナ基板３と空気とは誘電率が異なり、かつ電磁波の伝送形態が異なることから、その境界部分で電磁波が反射されることによる。

また、プリント配線基板２の内部の伝送線路に関しては、この誘電率の異なる境界で反射がなされるという点に加え、一般に伝送線路として下面側にグランドが形成されていることからアンテナ素子４からの電磁波の影響を受けることは少ないのであるが、プリント配線基板２の下面または内部にベタパターンのグランド用導体層７が形成されているのが好ましい。特に、図４に示すように、上面視でシールド用導体層１２の周縁部と重なるようにグランド用導体層７が形成されているのが好ましい。これにより、アンテナ素子４から放射された電磁波がプリント配線基板２の内部の伝送線路に伝播するのを抑制するとともに、プリント配線基板２や半導体素子８から放射される不要放射がアンテナ素子４から放射された電磁波の放射パターンに悪影響を与えることを抑制することができる。なお、図４は本発明のアンテナモジュールの実施の形態の他の例を説明するための断面図である。

また、図５は本発明のアンテナモジュールの実施の形態のさらに他の例を説明するための断面図であって、本発明は、図５に示すようにアンテナ基板３、プリント配線基板２および樹脂接着剤１１とは異なる比誘電率の封止樹脂１３で、半導体素子８および電気的接続手段６が被覆されていてもよい。

最後に、信号の流れを述べる一例として、アンテナ素子４を送受共用とした７６．５ＧＨｚレーダーの場合を説明する。図１の形態を例にとると、半導体素子８が２個実装されており、一方の半導体素子８はＶＣＯ、他方の半導体素子８はハイブリッド、ミキサー、アンプ、アイソレーターを備えたトランシーバーの場合である。送信の場合は、ＶＣＯで作られた７６．５ＧＨｚの波がトランシーバーのパワーアンプで増幅され、サーキュレーターを通り放射される。受信の場合は、アンテナで受信した信号がサーキュレーターを通りローノイズアンプで増幅され、送信波から一部分岐された波と合成されて、ミキサーで周波数を中間周波数に下げて半導体素子８から出力される。半導体素子８とアンテナ素子４とは図１に示すように接続されており、この伝送線路を通して高周波信号がやり取りされる。プリント配線基板２と２つの半導体素子８とは電気的接続手段６およびアンテナ基板３に形成した伝送線路を介して電気的に接続されているが、この経路を通して半導体素子８への電源供給や半導体素子８が処理した中間周波信号のプリント配線基板２への伝送がなされる。

本発明のアンテナモジュールの実施の形態の一例を説明するための断面図である。 図１に示すアンテナ基板３の上面に半田５が配置された状態を示す上面図である。 図１に示すアンテナモジュールの要部概略上面図である。 本発明のアンテナモジュールの実施の形態の他の例を説明するための断面図である。 本発明のアンテナモジュールの実施の形態のさらに他の例を説明するための断面図である。

符号の説明

１ アンテナモジュール
２ プリント配線基板
３ アンテナ基板
４ アンテナ素子
５ 半田
６ 電気的接続手段
７ グランド用導体層
８ 半導体素子
９１，９２ 接続端子
１０ 貫通孔
１１ 樹脂接着剤
１２ シールド用導体層

Claims (3)

1. 上面に半導体素子を実装し下面に前記半導体素子に接続されたアンテナ素子を露出または埋没させて設けてなるアンテナ基板の上面が、貫通孔を有するプリント配線基板の下面の前記貫通孔の周囲に取着され、前記貫通孔に前記半導体素子が収容されたアンテナモジュールであって、
   前記アンテナ基板の上面に形成されて前記半導体素子に接続され、前記貫通孔の内側に露出している接続端子と、前記プリント配線基板の上面の前記貫通孔の近傍に形成されて伝送線路が接続された接続端子とが金属製のワイヤまたはリボンからなる電気的接続手段で接続されており、
   前記アンテナ基板の内部に上面視で前記アンテナ素子と前記半導体素子と前記電気的接続手段とが内側に位置するようにシールド用導体層が形成されていることを特徴とするアンテナモジュール。
2. 前記プリント配線基板の下面または内部に、上面視で前記シールド用導体層の周縁部と重なるようにグランド用導体層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
3. 前記アンテナ基板の上面が、複数の半田接合部および該複数の半田接合部の周囲に設けられた樹脂接着部によって前記プリント配線基板の前記貫通孔の周囲に取着されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナモジュール。

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