JP2015188174A - Mmic集積モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】電波の放射効率を改善すること。
【解決手段】MMICチップ2のアンテナ10と対向するように小キャビティ7’の底面に金属性の反射板12を形成し、その反射板12を囲むように複数のビア8を形成し、更にアンテナ10を囲むように複数の接合用ボール9を配置する。
【選択図】図1
【解決手段】MMICチップ2のアンテナ10と対向するように小キャビティ7’の底面に金属性の反射板12を形成し、その反射板12を囲むように複数のビア8を形成し、更にアンテナ10を囲むように複数の接合用ボール9を配置する。
【選択図】図1
Description
本発明は、ミリ波帯又はテラヘルツ波帯の無線通信に用いるMMIC(monolithic microwave integrated circuit:モノシリックマイクロ波集積回路)を実装したMMIC集積モジュールの技術に関する。
旧来より、ミリ波又はテラヘルツ波の高周波RF(radio frequency)信号を扱うICパッケージが開発されている。このICパッケージは電磁波を入力するための導波管ポートを備えた金属体であり、金属表面には酸化防止の金メッキが形成されている。また、導波管フランジも形成されており、アライメント用のピンや固定ボルト等を必要とするため、サイズが大きく高コストとなってしまう。
そこで近年では、製造上の高コスト化を抑制するため、誘電性の基板を積層させ、その積層過程において各基板にビアを形成したり基板表面に金属線を配線したりすることにより、旧来よりも簡易にICパッケージを含むMMIC集積モジュールを生成する手法が提案されている(非特許文献1)。
この非特許文献1に記載されたFig.1を図7に示す。このMMIC集積モジュール100は、複数の誘電性基板1’を積層し、積層させた誘電性基板群の一部でキャビティ7を形成し、そのキャビティ7の上壁面の表面に平面型のアンテナ10を配置することにより、形成されている。
また、誘電性基板1’の表面には、MMIC集積モジュール100の外部からキャビティ7内のアンテナ10へ信号を伝達するためのアンテナフィード線21やアンテナグランド線22が配設され、RFIC23に低周波信号を供給するための信号線24やRFIC23用のグランド線25も更に配設されている。RFIC23は、誘電性基板群の外部裏表面に配置され、信号線24を介して低周波信号を受信し、その低周波信号を用いて高周波RF信号を生成して、アンテナフィード線21を介してアンテナ10から出力する。
このようなMMIC集積モジュール100において、RFIC23は、ワイヤボンディング又はフリップチップボンディングにより誘電性基板群の外部裏表面にマウント実装されている。かかる構成より、RFIC23からの高周波RF信号は図示しないボンディングやワイヤを介してアンテナ10に到達するため、高周波RF信号の信号損失が大きくなってしまう。その結果、高周波RF信号の送信側と受信側のそれぞれにおいて、信号パワーやノイズフィギュア等の特性劣化が生じることになる。
そのため、RFICの上にアンテナを一体的に形成する手法も提案されている。図8は、2つ目の従来のMMIC集積モジュール100の構成を示す図である。このMMIC集積モジュールは、金属筐体31の内部に形成されたキャビティ7の底面にシリコン基板32を埋め込み、そのシリコン基板32のキャビティ7側の表面にRFICを有するMMICチップ2と回路の実装基板33を配置し、そのMMICチップ2の表面にアンテナ10を形成している。また、シリコン基板32の他方の表面に半球状のシリコンレンズ3’’をダイボンディング接合し、そのシリコンレンズ3’’の球部の一部を金属筐体31から外部へ突出するように配置している。
かかる構成より、MMICチップ2の上にアンテナ10が形成されているため、高周波RF信号の信号損失を抑制することができる。また、MMICチップ2に対して、そのMMICチップ2の化合物半導体材料と誘電率が近いシリコンからなるシリコン基板32とシリコンレンズ3’’を接合しているため、アンテナ10からの電波を効率良く空気中に放射することができる。
特に高抵抗シリコンは、テラヘルツ帯の領域において誘電体損失が無く、レンズやプリズムの材料として一般的に用いられている。また、シリコンレンズ3’’の半径やシリコン基板32の厚さを適切に設計することにより、ガウシアン性の良い放射パターンや高利得特性を得ることができる(特許文献1)。
なお、このMMIC集積モジュール100は、外部からの信号を受信可能である。アンテナ10で受信した信号は、ワイヤ34で接続された実装基板33を経由して信号端子35へ出力され、データ信号線36を通じて外部へ出力される。
Duixian Liu、外2名、"An LTCC Superstrate Patch Antenna for 60-GHz Package Applications"、Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI)、2010 IEEE、July 2010年7月、pp.1-4
しかしながら、図8に示したMMIC集積モジュールでは、MMIC上のアンテナからの電波がシリコンレンズ側と金属筐体のキャビティ側の両方に放射するため、キャビティ側に放射された電磁波は損失となってしまい、アンテナ効率や利得が低下し、更にはMMICチップ上の電気線路に再結合することにより増幅器等の回路で発振現象が発生するという課題があった。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、電波の放射効率を改善することを目的とする。
以上の課題を解決するため、請求項1に記載のMMIC集積モジュールは、ミリ波又はテラヘルツ波用のMMIC集積モジュールにおいて、キャビティを形成するように積み重ねられた複数の誘電性基板と、前記キャビティの開口面に配置された誘電性レンズと、アンテナの形成面が前記キャビティの底面に向かい合うように前記キャビティの内部に配置されたMMICチップと、前記アンテナに対向するように誘電性基板の表面に形成された金属層と、を有することを要旨とする。
本発明によれば、MMICチップ上のアンテナに対向するように金属層を形成しているため、アンテナからキャビティの内部側に放射される電波を誘電体レンズのある方向へ反射できることから、電波を効率的に放射することができる。
請求項2に記載のMMIC集積モジュールは、請求項1に記載のMMIC集積モジュールにおいて、前記アンテナを囲むように配置された複数の金属体を更に有することを要旨とする。
本発明によれば、アンテナを複数の金属体で囲むように構成しているため、大気中への放射を抑制できることから、電波をより効率的に放射することができる。
請求項3に記載のMMIC集積モジュールは、請求項2に記載のMMIC集積モジュールにおいて、前記金属体は、前記MMICチップを前記キャビティの底面にフリップチップ実装するためのバンプであることを要旨とする。
請求項4に記載のMMIC集積モジュールは、請求項1又は2に記載のMMIC集積モジュールにおいて、前記金属層を囲むように誘電性基板に形成された複数のビアを更に有することを要旨とする。
本発明によれば、金属層を複数のビアで囲むように構成しているため、大気中への放射を抑制できることから、電波をより効率的に放射することができる。
請求項5に記載のMMIC集積モジュールは、請求項1乃至4のいずれかに記載のMMIC集積モジュールにおいて、前記アンテナと前記金属層との間に位置する誘電性基板に形成された空孔を更に有することを要旨とする。
請求項6に記載のMMIC集積モジュールは、請求項1乃至5のいずれかに記載のMMIC集積モジュールにおいて、前記誘電性レンズは、前記キャビティ側の表面に凸レンズを有することを要旨とする。
請求項7に記載のMMIC集積モジュールは、請求項1乃至6のいずれかに記載のMMIC集積モジュールにおいて、前記金属層は、接地していることを要旨とする。
本発明によれば、電波を効率的に放射できる。
本発明は、アンテナを形成したMMICチップをフリップチップ実装するMMIC集積モジュールにおいて、(1)MMICチップ上のアンテナに対して対向するように誘電性基板上に金属層を形成し、(2)その金属層を囲むようにビアを形成し、(3)そのアンテナを囲むようにMMICチップと誘電性基板を接合する金属体を配置するようにしている。以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。
〔第1の実施の形態〕
図1は、第1の実施の形態に係るMMIC集積モジュール100の断面図である。図2は、そのMMIC集積モジュール100の斜視図である。本MMIC集積モジュール100は、多層型誘電性基板パッケージ1と、MMICチップ2と、レンズ3とを主に備えて構成される。
図1は、第1の実施の形態に係るMMIC集積モジュール100の断面図である。図2は、そのMMIC集積モジュール100の斜視図である。本MMIC集積モジュール100は、多層型誘電性基板パッケージ1と、MMICチップ2と、レンズ3とを主に備えて構成される。
多層型誘電性基板パッケージ1は、セラミックやLTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics)等の誘電性基板を積層することにより形成される。任意の誘電性基板には、その表面において、多層型誘電性基板パッケージ1の外表面に形成・配置された外部電極4に接続される配線5が形成され、更に誘電性基板間を導通するビア6が形成される。また、最上及び中間に位置する複数の誘電性基板を用いて凹形状の内部空間(キャビティ)7が形成され、そのキャビティ7の底面の上に、配線5及びビア6を介して外部電極4に電気的に接続される内部電極8が形成・配置される。
MMICチップ2は、多層型誘電性基板パッケージ1のキャビティ7に収まるサイズで形成され、そのキャビティ7の底面の上にフリップチップ実装される。例えば、金属性の接合用ボール9を用いて、キャビティ7内の内部電極8に電気的に接続する。MMICチップ2の表面には、図示しないRFIC(Radio Frequency Integrated Circuit)が形成され、更にオンチップ型のアンテナ10が形成されている。また、そのアンテナ10の形成面がキャビティ7の底面に向かい合うようにフリップチップ実装される。かかる構造により、外部電極4からの低周波信号を配線5,ビア6,内部電極8,接合用ボール9を介して受信し、その低周波信号を用いてRFICで高周波RF信号を生成し、その高周波RF信号の電波をアンテナ10から放射する。図1の場合、アンテナ10から上側と下側へ放射される。また、外部からの高周波RF信号をアンテナ10で受信し、同様の経路を逆に辿り外部電極4へ出力することも可能である。
レンズ3は、半球状の形を有し、電磁波の波長の数倍以上ある径を有する。例えば、シリコン,テフロン,ポリエチレン、石英等の誘電性レンズを用いて形成される。接着剤11やUV樹脂等を用いてキャビティ7の開口面に配置され、固定される。その際、電磁波の放射パターンの中心軸がレンズ3の中心軸と一致するように配置することが好ましい。また、光学的に透明な材料をレンズ材料に用いることが好ましい。これにより、目視により、MMICチップ2やアンテナ10の位置との位置合わせが可能となり、実装も容易となる。また、シリコンを用いる場合には、例えば10kΩ・cm以上の高抵抗シリコンを用いることが好ましい。これにより、ガウシアン性の良い放射パターンや高利得特性を得ることができる。また、レンズ3の周縁を支える誘電性基板を変更したり、接合用ボール9のサイズを調整したりすることにより、そのキャビティ7に収容されるMMICチップ2に直接接合させることが好ましい。
このような構成要素を備えたMMIC集積モジュール100において、本実施の形態では、アンテナ10と対向する誘電性基板の表面(キャビティ7の底面)に金属性の反射板12を形成する。例えば、キャビティ7の底面に位置する誘電性基板の一部を切除等することにより、アンテナ10の存在する位置において深さd×幅wの小キャビティ7’を形成し、その小キャビティ7’の底面の上を金属層で覆うようにする。
このように、小キャビティ7’の底面に金属層を形成することにより、アンテナ10から小キャビティ7’側へ放射された電波を反対方向へ反射させことができる。なお、小キャビティ7’の深さdとは、MMICチップ2のアンテナ形成面と小キャビティ7’の底面との間の距離であり、例えば、使用する帯域の中心波長λの1/6〜1/3の範囲内が好ましい。また、形成された金属層を接地するようにしても構わない。これにより、電波の反射効率を高めることができる。
また、本実施の形態では、反射板12を複数のビア6で囲むように形成・配置し、更にアンテナ10を複数の接合用ボール9で囲むように形成・配置する。例えば、接合用ボール9を小キャビティ7’の側壁面の一部として用いるようにする。図1のX−X’断面の一部を下から上に見た図を図3に示す。図3では、MMICチップ2上のアンテナ10と接合用ボール9との配置状態を示している。MMICチップ2のアンテナ形成面には、アンテナ10を囲むように金属層13が形成され、この金属層13の上に所定の間隔で接合用ボール9を配置する。更に、図1に示したように、図3のように配置された複数の接合用ボール9と同じ配置状態となるように複数のビア6を形成し、反射板12を囲むようにする。
このように、アンテナ10を囲むように複数の接合用ボール9を配置し、反射板12を囲むように複数のビア6を形成することにより、アンテナ10から小キャビティ7’側へ放射された電波が水平方向へ分散することを防止できる。なお、接合用ボール9の間隔やビア6の間隔は、使用する帯域の中心波長λの1/4以下が好ましい。また、金属層13を接地し、その金属層13上の接合用ボール9や当該接合用ボール8に電気的に接続されるビア6をRFICのアース用電極の一部として用いるようにしても構わない。
本実施の形態によれば、MMICチップ2上のアンテナ10と対向するように小キャビティ7’の底面に反射板12を形成し、その反射板12を囲むように複数のビア6を形成し、更にアンテナ10を囲むように複数の接合用ボール9を配置するので、アンテナ10から小キャビティ7’側へ放射された電波を反対方向のみに反射することが可能となり、MMIC集積モジュール100から電波を効率的に放射することができる。
〔第2の実施の形態〕
図4は、第2の実施の形態に係るMMIC集積モジュール100を示す図である。同図(a)は、MMIC集積モジュール100の断面図である。同図(b)は、同図(a)のX−X’断面を上から下に見た図である。
図4は、第2の実施の形態に係るMMIC集積モジュール100を示す図である。同図(a)は、MMIC集積モジュール100の断面図である。同図(b)は、同図(a)のX−X’断面を上から下に見た図である。
本MMIC集積モジュール100は、第1の実施の形態と同様に、図示しない導体層が表面に形成された誘電体層(第1の実施の形態における誘電性基板)1’を積層することにより多層型誘電性基板パッケージ1を形成する。また、ビア6を形成した誘電体層1’を積層することにより、MMICチップ2を格納する長方形のキャビティ7を形成する。
キャビティ7を構成する最上の誘電体層1’に形成されたビア6aのサイズは他のビア6bのサイズと異なり、最上及びその下の誘電体層1’による枠部をステップ状とし、レンズ3を実装する。なお、誘電体層1’の材料は、セラミックスやガラスフィラーを混入したセラミックス混合材料、ポリイミド等のポリマー材料でもよいが、誘電損失が小さい材料が好ましい。セラミックス材料を用いた場合には、誘電体層1’を積層した後に高温で焼成を行う。誘電体層1’の厚さは数〜数十ミクロンであり、シルクスクリーン印刷やメッキ処理により形成する。一方、導体層の材料は、金、銀、タングステン、銅などでもよい。
本実施の形態では、第1の実施の形態と異なり、バンプ9’を用いてMMICチップ2をキャビティ7の底面にフリップチップ実装する。また、小キャビティ7’を形成することなく、反射板12をバンプ9’の実装面と同一平面に形成する。アンテナ10から反射板12までの距離は、第1の実施の形態と同様に、例えば、使用する帯域の中心波長λの1/6〜1/3の範囲内とする。
本実施の形態によれば、MMICチップ2のアンテナ10と対向するように、キャビティ7の底面に反射板12を形成し、そのアンテナ10を囲むように複数のバンプ9’を配置するので、アンテナ10から小キャビティ7’側へ放射された電波を反対方向のみに反射することが可能となり、MMIC集積モジュール100から電波を効率的に放射することができる。
〔第3の実施の形態〕
図5は、第3の実施の形態に係るMMIC集積モジュール100を示す図である。同図(a)は、MMIC集積モジュール100の断面図である。同図(b)は、同図(a)のX−X’断面の一部を上から下に見た図である。以下、第1,2の実施の形態との相違点を中心に説明する。
図5は、第3の実施の形態に係るMMIC集積モジュール100を示す図である。同図(a)は、MMIC集積モジュール100の断面図である。同図(b)は、同図(a)のX−X’断面の一部を上から下に見た図である。以下、第1,2の実施の形態との相違点を中心に説明する。
本実施の形態では、第1,2の実施の形態と異なり、反射板12をバンプ9’の実装面(誘電体層1a’)の下の誘電体層1b’の表面に形成し、その反射板12の上に位置する誘電体層1a’に複数の空孔14を形成し、その空孔14を囲むように複数のビア6を形成する。また、その複数のビア6の形成位置に沿うように誘電体層1a’の表面に金属層15を凹状に形成し、その金属層15の上にMMICチップ2をフリップチップ実装する。図5(b)では、金属層15の形成パターン、空孔14の配置パターン、ビア6の配置パターンの各例を示している。
第1の実施の形態では、誘電性基板の一部を排除することにより、小キャビティ7’の深さを制御している。しかし、これによりMMIC集積モジュール100の底面の厚さが薄くなるため、物理的強度が弱くなり、誘電性基板の反りが大きくなる可能性がある。これに対し、本実施の形態では、削除対象であった誘電性基板1a’の該当部分に空孔14を形成しているので、MMIC集積モジュール1の物理的な強度が高くなり、等価的に誘電率を制御してキャビティの深さを実質的に制御することができる。
〔第4の実施の形態〕
図6は、第4の実施の形態に係るMMIC集積モジュール100の断面図である。本実施の形態では、レンズ3の材料として、特に、テフロン,ポリエチレン,石英等の低誘電率の誘電体を使用し、レンズ3の下面に凸レンズ3’を形成している。これにより、アンテナ10から放射される電波の放射パターンを適切に制御することができ、アンテナ利得を向上することができる。
図6は、第4の実施の形態に係るMMIC集積モジュール100の断面図である。本実施の形態では、レンズ3の材料として、特に、テフロン,ポリエチレン,石英等の低誘電率の誘電体を使用し、レンズ3の下面に凸レンズ3’を形成している。これにより、アンテナ10から放射される電波の放射パターンを適切に制御することができ、アンテナ利得を向上することができる。
以上より、第1〜第4の実施の形態によれば、MMICチップ2上のアンテナ10と対向するようにキャビティ7又は小キャビティ7’の底面に反射板12を形成・配置したので、アンテナ10から電波を効率的に放射でき、電波の損失を低減でき、結果としてアンテナ効率と利得を改善することができる。また、アンテナ10を囲むように接合用ボール9又はバンプ9’を配置し、反射板12を囲むようにビア6を形成したので、大気中への放射を抑制し、MMICチップ上に形成された増幅器等の発振を防止することができる。
1…MMIC集積モジュール
1’…誘電体層(誘電性基板)
2…MMICチップ
3…レンズ
3’…凸レンズ
3’’…シリコンレンズ
4…外部電極
5…配線
6…ビア
7…キャビティ
7’…小キャビティ
8…内部電極
9…接合用ボール
9’…バンプ
10…アンテナ
11…接着剤
12…反射板
13…金属層
14…空孔
15…金属層
21…アンテナフィード線
22…アンテナグランド線
23…RFIC
24…信号線
25…グランド線
31…金属筐体
32…シリコン基板
33…実装基板
34…ワイヤ
35…信号端子
36…データ信号線
1’…誘電体層(誘電性基板)
2…MMICチップ
3…レンズ
3’…凸レンズ
3’’…シリコンレンズ
4…外部電極
5…配線
6…ビア
7…キャビティ
7’…小キャビティ
8…内部電極
9…接合用ボール
9’…バンプ
10…アンテナ
11…接着剤
12…反射板
13…金属層
14…空孔
15…金属層
21…アンテナフィード線
22…アンテナグランド線
23…RFIC
24…信号線
25…グランド線
31…金属筐体
32…シリコン基板
33…実装基板
34…ワイヤ
35…信号端子
36…データ信号線
以上の課題を解決するため、請求項1に記載のMMIC集積モジュールは、ミリ波又はテラヘルツ波用のMMIC集積モジュールにおいて、キャビティを形成するように積み重ねられた複数の誘電性基板と、前記キャビティの開口面に配置された誘電性レンズと、アンテナの形成面が前記キャビティの底面に向かい合うように前記キャビティの内部に配置されたMMICチップと、前記アンテナに対向するように誘電性基板の表面に形成された金属層と、前記アンテナを囲むように配置された複数の金属体と、前記金属層を囲むように前記誘電性基板に形成された複数のビアと、を有し、前記複数のビアは、前記複数の金属体の配置と同じ位置で前記誘電性基板に形成されていることを要旨とする。
本発明によれば、アンテナを複数の金属体で囲むように構成しているため、大気中への放射を抑制できることから、電波をより効率的に放射することができる。また、本発明によれば、金属層を複数のビアで囲むように構成しているため、大気中への放射を抑制できることから、電波をより効率的に放射することができる。
請求項2に記載のMMIC集積モジュールは、請求項1に記載のMMIC集積モジュールにおいて、前記金属体は、前記MMICチップを前記キャビティの底面にフリップチップ実装するためのバンプであることを要旨とする。
請求項3に記載のMMIC集積モジュールは、請求項1又は2に記載のMMIC集積モジュールにおいて、前記アンテナと前記金属層との間に位置する誘電性基板に形成された空孔を更に有することを要旨とする。
請求項4に記載のMMIC集積モジュールは、請求項1乃至3のいずれかに記載のMMIC集積モジュールにおいて、前記誘電性レンズは、前記キャビティ側の表面に凸レンズを有することを要旨とする。
請求項5に記載のMMIC集積モジュールは、請求項1乃至4のいずれかに記載のMMIC集積モジュールにおいて、前記金属層は、接地していることを要旨とする。
Claims (7)
- ミリ波又はテラヘルツ波用のMMIC集積モジュールにおいて、
キャビティを形成するように積み重ねられた複数の誘電性基板と、
前記キャビティの開口面に配置された誘電性レンズと、
アンテナの形成面が前記キャビティの底面に向かい合うように前記キャビティの内部に配置されたMMICチップと、
前記アンテナに対向するように誘電性基板の表面に形成された金属層と、
を有することを特徴とするMMIC集積モジュール。 - 前記アンテナを囲むように配置された複数の金属体を更に有することを特徴とする請求項1に記載のMMIC集積モジュール。
- 前記金属体は、
前記MMICチップを前記キャビティの底面にフリップチップ実装するためのバンプであることを特徴とする請求項2に記載のMMIC集積モジュール。 - 前記金属層を囲むように誘電性基板に形成された複数のビアを更に有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のMMIC集積モジュール。
- 前記アンテナと前記金属層との間に位置する誘電性基板に形成された空孔を更に有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のMMIC集積モジュール。
- 前記誘電性レンズは、
前記キャビティ側の表面に凸レンズを有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のMMIC集積モジュール。 - 前記金属層は、
接地していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のMMIC集積モジュール。
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